裝飾用UV延遲固化環(huán)保型膠粘劑制備及性能分析

陳蕊 黃四平 黃文華 劉有全

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.004

摘 要：針對傳統(tǒng)熱固化技術中效率低、材料強度低等問題，制備一種UV延遲固化膠粘劑，并對其工藝進行優(yōu)化，研究其強度、熱穩(wěn)定性、耐化學性等。試驗結果表明，選擇25%EP3作為活性稀釋劑，1%TR-PAG-20101作為陽離子光引發(fā)劑，光固化時間為10 s；試驗制備的25%EP3UV延遲固化膠粘劑的粘接強度為（3.52±0.16） MPa，拉伸剪切強度為3.6 MPa，固化反應時間在5 min之內，熱分解溫度在300 ℃以上；材料在沸水和酸性溶液（pH=2）環(huán)境下，強度依然較好，其中，酸性溶液浸泡后強度為（3.36±0.40） MPa。因此，試驗制備的UV延遲固化膠粘劑具備良好的力學性能。

關鍵詞：UV延遲固化；膠粘劑；強度；熱穩(wěn)定性；耐化學性

中圖分類號：TQ433.9? ? ? ?文獻標志碼：? ? ? ?A文章編號：1001-5922（2024）02-0013-04

Preparation and performance analysis of modified UV delayed curing environmentally friendly adhesive for decoration

CHEN Rui1，HUANG Siping2，HUANG Wenhua1，LIU Youquan1

（1.Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi China;

2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712099，Shaanxi China）

Abstract：Aiming at the problems of low efficiency and low material strength in traditional thermal curing technology，a UV delayed curing adhesive was prepared，and its process was optimized to study its strength，thermal stability，chemical resistance，etc.The results showed that in the optimization of the preparation process，25% EP3 was selected as the active diluent，1% TR-PAG-20101 as the cationic photoinitiator，and the curing time was 10 s.The adhesive strength of 25% EP3UV delayed curing adhesive prepared in this test was （3.52±0.16） MPa，the tensile shear strength was 3.6 MPa，the curing reaction time was within 5min，and the thermal decomposition temperature was above 300 ℃.The strength of the material was still good in the environment of boiling water and acidic solution （pH=2），and the strength after immersion in acidic solution was （3.36±0.40） MPa.Therefore，the UV delayed curing adhesive prepared in this test has good mechanical properties.

Key words：UV delayed curing;an adhesive;strength;thermal stability;chemical resistance

受到環(huán)保意識和安全意識不斷增強的影響，解決傳統(tǒng)熱固化技術中的效率低、成本高等問題，成為現(xiàn)代科學研究的一個焦點。而紫外光（UV）固化技術有著綠色環(huán)保、效率高等特點，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱固化技術應用于眾多領域。對此，研究了紫外光固化技術在家具或木制品表面裝飾、磚涵修復等方面的應用^[1-2]。制備了一種含新型紫外光吸收劑的UV固化涂料，并對其性能優(yōu)化效果進行探討^[3]。制備了一種高性能UV延遲固化結構膠^[4]。雖然眾多學者針對UV固化技術的優(yōu)化做了許多研究，但還有較大的優(yōu)化空間?？紤]到環(huán)保膠粘劑在日常應用中面臨的大量酸性環(huán)境等因素，試驗以雙酚A環(huán)氧樹脂為主要材料，結合多種活性稀釋劑以及三芳基硫鎓鹽（TR-PAG-20101）陽離子光引發(fā)劑，制備了一種UV延遲固化膠粘劑，并在不透光材料基體上優(yōu)化其工藝參數(shù)，對其強度、熱穩(wěn)定性、耐化學性進行分析。

1?試驗部分

1.1?材料與設備

主要材料：雙酚A環(huán)氧樹脂（E51，AR），上海優(yōu)賜新材料；三羥甲基丙烷縮水甘油醚（EP3，AR），徐州熠輝揚新材料；1，6-己二醇二縮水甘油醚（669，AR），蘇州森達菲化工；苯基縮水甘油醚（692，AR），蘇州印盛禾化工；3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷（OXA，AR），廣州翁江化學試劑；三芳基硫鎓鹽（TR-PAG-20101，AR），南京嘉中化工；304不銹鋼（06Cr19Ni10），無錫銘新特鋼。

主要設備：GH-200型數(shù)顯電子天平（日本艾安得）；79-1型數(shù)顯恒溫多功能攪拌器（新北區(qū)春江同創(chuàng)實驗儀器）；CT-C-0型真空干燥箱（南京征宇干燥設備）；SY-130型光固化機（浦江縣億馳機械設備）；LZD-GZ9123C型電熱恒溫干燥箱（盛世路通試驗儀器）；DV-P3型流變儀（上海越平儀器）；ZB-810型電子萬能拉伸試驗機（江蘇正瑞太邦）；BXT-TGA1250型熱重分析儀（上海能共）。

1.2?試驗方法

1.2.1?改性UV延遲固化膠粘劑的制備

（1）用電子天平按一定比例稱取雙酚A環(huán)氧樹脂（E51）、活性稀釋劑（EP3、669、692、OXA）和摻入質量分數(shù)為1%的陽離子光引發(fā)劑（TR-PAG-20101）;

（2）通過數(shù)顯多功能攪拌器充分攪拌混合均勻， 攪拌轉速和攪拌時間分別為1 500 r/min、5 min，獲得含有不同種類、含量活性稀釋劑的膠液;

（3）將（2）中配置的膠液放入烘箱中，在真空且避光的環(huán)境下脫泡處理1 h，獲得UV延遲固化膠粘劑。

1.2.2?膠粘劑試件的制備

1.2.2.1?試樣基材處理

（1）試樣基材為304不銹鋼，基材尺寸為50 mm×50 mm×2 mm，先用240目砂紙對304不銹鋼進行打磨，之后用600目砂紙再次對304不銹鋼進行打磨，使不銹鋼表面無雜質;

（2）用無水乙醇擦拭已經打磨處理后的304不銹鋼基材，清洗掉不銹鋼表面的油污。

1.2.2.2?制備膠粘劑單搭接接頭

（1）在處理過的基材表面涂上1.2.1中制備的膠粘劑，膠粘劑涂層厚度為60 μm;

（2）在光固化機下，使用UV高壓汞燈，紫外光照射膠粘劑涂層15 s，再在室溫環(huán)境下放置2 min，其中，紫外光波長和光強分別為270～450 nm、30 mW/cm2;

（3）用特定夾具固定經紫外光處理后的試樣，在接頭處施加約0.1 MPa的壓力使之粘接，然后在室溫環(huán)境下等待膠粘劑初始固化，膠粘劑產生初始粘接強度；

（4）將初始固化后的試樣放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，加熱至膠粘劑完全固化，膠粘劑產生最終粘接強度。

1.3?性能測試

1.3.1?強度測試

通過電子萬能拉伸試驗機對試樣進行測試，分析膠粘劑試樣的拉伸剪切強度、初始粘接強度和最終粘接強度^[5-7]。

1.3.2?延遲固化性能測試

通過流變儀對試樣進行測試，探究延遲固化時間對膠粘劑性能的影響。

1.3.3?熱穩(wěn)定性測試

通過熱重分析儀對膠粘劑試樣進行測試，分析膠粘劑固化膜的熱穩(wěn)定性能^[8-11]。

1.3.4?耐化學性能測試

將膠粘劑試樣浸泡在酸性溶液、堿性溶液、冷水和沸水中，其中，酸性溶液pH值為2，溫度80 ℃，浸泡時間1 h；堿性溶液pH值為12，溫度80 ℃，浸泡時間1 h；沸水溫度100 ℃，浸泡時間1 h；冷水室溫，浸泡時間24 h。然后通過試驗機分別對不同溶液條件環(huán)境的試件進行測試，分析浸泡前后試樣粘接強度的變化^[12-15]。

2?結果與分析

2.1?膠粘劑組分優(yōu)化

2.1.1?活性稀釋劑種類優(yōu)化

在活性稀釋劑占膠粘劑總質量固定為25%的情況下，探究不同種類活性稀釋劑（EP3、669、692、OXA）對膠粘劑性能的影響。測試結果如表1所示。

由表1可知，EP3和692的粘接定型時間均小于10 min，并產生一定的初始粘接強度，其中，EP3的初始粘接強度和最終粘接強度均最大，分別為（3.02±0.24）MPa、（3.52±0.16）MPa，主要原因是EP3作為三官能度活性稀釋劑，其反應活性較高，會使膠粘劑的固化反應速率加快；同時，692含有苯環(huán)結構，有利于開環(huán)反應，其固化反應速率也較快，但粘接強度小于EP3，這主要是因為692作為低官能度活性稀釋劑，降低了膠粘劑體系的交聯(lián)密度，從而材料的性能降低^[16]；而669和OXA的粘接定型時間均大于10 min，反應活性較低，膠粘劑的粘接定型時間太長，在實際應用中會影響裝配效率。粘接性能是膠粘劑的主要性能，因此，試驗采用EP3作為UV延遲固化膠粘劑的活性稀釋劑。

2.1.2?活性稀釋劑含量優(yōu)化

試驗選擇以EP3作為活性稀釋劑，在其他條件不變的情況下，探究不同活性稀釋劑含量對膠粘劑性能的影響，測試結果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，隨著膠粘劑中EP3含量的增加，膠粘劑的延遲固化時間也在不斷增加，而膠粘劑的黏度在不斷減少，這表明了活性稀釋劑的加入會使膠粘劑體系到達凝膠點的時間推遲，從而延遲固化時間變長^[17-18]。為了實際應用過程中的高效性，膠粘劑的最佳延遲固化時間應在5 min之內，且具有一定的黏度。因此，EP3活性稀釋劑的含量在25%～30%比較適宜。

由圖2可知，隨著膠粘劑體系中EP3含量的增加，粘接強度呈現(xiàn)先上升后趨于平緩的趨勢。當EP3的含量達到25%時，膠粘劑的粘接強度上升達到臨界點3.5 MPa，此后粘接強度趨于平緩。因此，試驗選擇的EP3含量為25%。

2.2?光固化時間優(yōu)化

拉伸剪切強度變化曲線結果如圖3所示。

由圖3可知，當光固化時間不斷增加時，膠粘劑的拉伸剪切強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當光固化時間為6～8 s時，膠粘劑的拉伸剪切強度較小，這是因為輻照時間較短，膠粘劑中陽離子體系產生的酸性物質少，催化固化反應的效果不明顯，所以材料的強度較低；當紫外光照射時間為10 s時，拉伸剪切強度上升到3.6 MPa，到達臨界點，這表明了一定的紫外光照射時間可以增強材料中的聚合反應速率，固化反應加快，材料的強度增加；此后，隨著光固化時間的增加，拉伸剪切強度有所下降，但下降幅度較小，且均高于2 MPa。因此，試驗選擇的光固化時間為10 s。

2.3?熱穩(wěn)定性分析

材料的熱失重曲線如圖4所示。

由圖4可知，當活性稀釋劑中的官能度增加時，膠粘劑固化物的熱分解溫度出現(xiàn)不斷下降的趨勢。這是因為活性稀釋劑中的官能度會增強膠粘劑體系中的交聯(lián)結構，交聯(lián)結構中存在醚鍵，當活性稀釋劑官能度增加時，醚鍵含量也隨之增加，同時，醚鍵具有較小的鍵能，在較低的溫度下便會斷鍵發(fā)生熱分解效應，所以，材料的熱分解溫度降低，熱穩(wěn)定性能下降^[19]。從圖4還可知，不同種類活性稀釋劑膠粘劑固化物的熱分解溫度均在300 ℃以上，遠遠大于實際生活應用中的溫度。試驗所制備的不同稀釋劑種類膠粘劑試件均表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。

2.4?耐化學性能分析

不同環(huán)境下材料的拉伸剪切強度由圖5所示。

由圖5可知，在冷水和堿性溶液（pH=12）中浸泡之后，膠粘劑試樣的拉伸剪切強度均下降明顯，分別下降至（2.21±0.70）MPa、（2.43±0.64）MPa，下降幅度分別為37.2%、30.9%。這是由于膠粘劑試件在冷水中浸泡時間為24 h，浸泡時間過長導致水分子進入到膠粘劑涂層與基材界面之間，這會在搭接處產生一定的缺陷，因此，材料的拉伸剪切強度不斷下降；而在堿性溶液（pH=12）中，膠粘劑固化反應時，陽離子體系會產生酸性物質催化固化反應，但這些酸性物質會與環(huán)境溶液中的堿性物質發(fā)生反應，導致材料內部產生一定的缺陷，所以材料的強度下降^[20]。在經過沸水處理之后，膠粘劑的拉伸剪切強度有小幅度增強，上升幅度為5.9%。然而，在酸性溶液（pH=2）中浸泡之后，膠粘劑的拉伸剪切強度在一定程度上降低，但下降幅度較小，材料的強度依然良好，為（3.36±0.40）MPa。因此，試驗制備的25%EP3含量的UV延遲固化膠粘劑具備良好的耐酸性能和耐沸水性能，材料的耐化學性能好。

3?結語

（1）在UV延遲固化膠粘劑制備工藝優(yōu)化中，選擇EP3作為活性稀釋劑，且含量為25%，陽離子光引發(fā)劑TR-PAG-20101的含量為1%，光固化時間為10 s;

（2）試驗制備的25%EP3UV延遲固化膠粘劑的始粘接強度為（3.02±0.24）MPa，最終粘接強度為（3.52±0.16） MPa，拉伸剪切強度為3.6 MPa，固化反應時間在5 min之內。材料表現(xiàn)出較良好的力學性能;

（3）不同種類活性稀釋劑膠粘劑固化物的熱分解溫度均在300 ℃以上，試驗所制備的膠粘劑的熱穩(wěn)定性良好;

（4）在24 h冷水浸泡和1 h堿性溶液（pH=12）浸泡后，試驗制備的膠粘劑試樣的拉伸剪切強度均下降明顯，分別下降了37.2%、30.9%；沸水會小幅度增強試件強度；在酸性溶液（pH=2）中浸泡1 h后，材料的強度依然良好，為（3.36±0.40 ）MPa。因此，試驗制備的UV延遲固化膠粘劑耐酸性能和耐沸水性能良好。

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收稿日期：2023-09-19；修回日期：2023-12-18

作者簡介：陳?蕊（1982-），女，碩士，副教授，研究方向：裝飾材料、室內設計;E-mail：30867900@qq.com。

通訊作者：黃四平（1971-），男，博士，教授，研究方向：材料化學；E-mail：15291039980@139.com。

基金項目：陜西省教育學會2021年教育教學改革研究項目（項目編號：2021Z014）；2022年陜西省社會科學基金項目（項目編號：2022J050）。

引文格式：陳?蕊，黃四平，黃文華，等.裝飾用UV延遲固化環(huán)保型膠粘劑制備及性能分析[J].粘接，2024，51（2）：13-16.