稀释剂对某火工品粘接用UV固化胶粘剂的影响研究

孙会宁，陈保伟，马家举



稀释剂对某火工品粘接用UV固化胶粘剂的影响研究

孙会宁1，陈保伟2，马家举3

（1.绵阳职业技术学院材料工程系，四川 绵阳，621000；2.西安北方庆华集团有限公司，陕西 西安，710025；3.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

针对火工品壳体常用的透明塑料基材，研究了稀释剂对UV固化胶粘剂粘接性能的影响。通过对比研究稀释剂含量、稀释剂表面张力对粘接性能的影响，以及不同稀释剂及复配后的粘接性能，得到了最佳的稀释剂配比及其在胶粘剂中的含量。

火工品；稀释剂；UV；胶粘剂；粘结强度

在火工品生产过程中粘接零部件及封口经常会使用各类胶粘剂，目前大多使用的是市场现购的普通民用双组分或多组分胶粘剂，在使用前必须按照其使用说明进行调配，调配比例多为1∶1，1∶2或1∶3不等。由于胶粘剂的特殊粘性，在操作前不能提前配制，如提前配制会出现部分自然固化，造成粘接难度增加；若临时使用前人工调配，调配比例不好把控则会造成每一批次的产品粘接性能不稳定，对产品的粘接性能和耐环境的高湿高热性能影响较大。故目前研究独立包装、无需配制、打开即用、性能稳定的快速固化的光固化胶粘剂迫在眉睫。目前应用最多的是紫外光（ultraviolet）固化胶粘剂。UV技术是一项节能和环保型新技术[1]。良好的UV 胶粘剂解决了传统的热固化胶粘剂固化慢、污染严重、浪费资源等主要问题，直接决定了粘接性能的好坏。胶粘剂的每种组分都直接影响着粘接性能，稀释剂是胶粘剂的主要组分，仅次于基料对胶粘剂性能的影响，其不仅影响胶粘剂的粘度和涂布，还影响胶粘结的附着力、聚合程度及粘接强度等其他性能[2]。火工品中常用透明塑料基材作为壳体，有助于检查导线和内部安装的性能，因其透光性强可使用光固化胶粘剂。本文研究光固化胶粘剂在火工品部分基材领域的粘接特性，重点考察了稀释剂对火工品常用透明基材粘接用UV胶粘剂的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

预聚物：采用自制双酚A环氧丙烯酸酯（HY）。稀释单体：丙烯酸丁酯（BA）、丙烯酸异冰片酯（IBOA）、二缩三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、1,6-已二醇二丙烯酸酯（HDDA）、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA），台湾长兴化学品公司。光引发剂：1 173，常州华钛化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-125A型紫外光固化机，河北保定北方电子设备厂； QFZ胶膜附着力测定仪，天津市材料试验机厂； WDW-1002电子万能试验机，长春科新试验仪器有限公司；CCA-100表面张力测试仪，翰光高科技股份有限责任公司。

1.3 胶粘剂的配制及粘接固化

（1）胶粘剂的配制：称取一定质量的自制环氧树脂作为预聚物，然后加入不同类型稀释单体、光引发剂、助剂，搅拌均匀，避光保存，备用。

（2）基材的粘接粘接与固化

为便于实验的稳定性，选用火工品塑料壳体加工原材料（透明有机塑料）。首先，通过车工加工成规则的长方体（150×20mm），以便对胶粘剂粘接各项性能的测试，将加工规则的基材表面处理干净后，在其中一块基材涂少量胶液，将另一块基材与其在涂胶处紧密贴合在一起，并对正位置。调匀胶层，使搭接长度为3~5mm。如发现缺胶或有缝，应及时补胶填缝，然后在UV灯下照射直至完全固化，用指触干法进行表征，记录时间。

1.4 性能测试

固化时间：参照GB/T 1728-89固化时间执行，本实验采用指触法，以手指轻触胶膜表面，如感到有些发粘但无胶粘剂粘在手指上认为是表面已干，如不感到发粘认为胶膜表面已固化。

粘附力测定：参照GB/T 1720-89粘附力测定法测定，分为7级，1级最佳，7级最差。

耐水煮性模拟实验：参照GB/T 1733-93耐水性实验执行，将粘接好的整体基材放在沸水中，直至所粘基材开裂，记录其时间。

表面张力测定：固体的采用接触角法，液体的表面张力测定采用吊板法，在CCA-100Contact Angle Tensionmeter表面张力测试仪进行测试，单位为mN/m或mJ/m2。

粘接强度测定：根据文献[3]拉伸剪切实验测试原理和方法，将粘接好的试样在WDW-1002电子万能试验机上进行拉伸剪切实验。加载速率为10 mm· min-1，记下基材被拉断时的最大拉力，用该力除以粘接面积即为其拉伸剪切强度[4](参照GB/T 527-1982测定) 。

2 实验测试与讨论

2.1 稀释剂含量对粘度的影响

粘度是影响光固化胶粘剂的重要因素之一，合适的粘度是保证粘接施工流畅性的前提条件，同时才能和预聚物进行良好的交联作用发挥其成膜作用，并进而保证整体的粘接性能[5]。本实验采用1173（5%）为光引发剂，改变预聚物（HY）和稀释剂（TPGDA）的比例，测试其粘度，结果见图1。

图1 稀释剂含量对胶粘剂粘度的影响

从图1可以看出，稀释剂含量越低粘度越大，稀释剂含量增加，粘度明显降低。实验发现稀释剂百分含量控制在总组分40%以上比较适合粘度使用要求，但又考虑预聚物作为主要成膜物质不影响其粘接性能，故稀释剂控制在38%~65%比较合适。

2.2 活性稀释剂表面张力对粘接性能的影响

由于火工品粘接的壳体材料为有机塑料壳体，其基材比普通的金属和玻璃基材表面能低，只有23.83 mN/m[6]，粘接附着力随之降低，粘接难度增加。根据相似相容原理，胶粘剂只有表面张力低于基材的表面张力时才能很好地粘接基材，故考察每种稀释剂的表面张力对胶粘剂的表面张力影响。配制胶粘剂前对几种常用稀释剂的表面张力进行测试，如图2~4所示。

图2 IBOA（单官能团稀释剂）表面张力测试图

图3 TPGDA（双官能团稀释剂）表面张力测试图

图4 TMPTA（三官能图稀释剂）表面张力测试图

从图2~4明显看出，不同官能度的稀释剂表面张力不同，随着官能团增加表面张力随之增加。根据杨氏定律[7]可知，胶粘剂浸润角的大小与基材表面张力σ、胶粘剂表面张力σ及固-液界面张力σ之间存在下列关系（为了便于讨论，将胶粘剂当成一种液体，被粘基材当成固体，当胶粘剂被涂于被粘物表面而且达到受力平衡时）：

当胶粘剂涂布于固体基材时其受力如图5所示。

注：固表示固体有机塑料基材；液表示液体UV胶粘剂

图5 胶粘剂涂布于固体基材受力图

Fig.5 Adhesive applied to solid substrate force diagram

由式（1）可知[8]：（1）若σ＜σ，则cos＜0，＞90°，液体胶粘剂不能润湿固体基材。当=1 80°时，基材表面完全不能润湿，液体胶粘剂呈球状；（2）若σ＞σ-σ时，则0＜cos＜1，＜90°，液体胶粘剂能润湿固体基材；（3）若σ=σ-σ时，则cos=1，=0°，液体胶粘剂完全浸润固体基材；（4）若σ-σ＞σ时，则液体胶粘剂在固体基材表面完全浸润（=0°）时仍未达到平衡而铺展开来。

所以，改变稀释剂体系的表面张力，就能改变接触角，即改变系统的润湿情况。为了增强浸润，降低，必须设法增加σ，减小σ，也就是说，表面张力小的物质能很好地浸润表面张力大的物质，反之则不行。当胶粘剂与基材表面接触时，处于界面区的两种分子在朝向各相内部方向受到同种分子的吸引作用。在朝向界面方向，受到来自界面分子力的吸引作用。对于高表面能基材，界面区胶粘剂分子有一种被吸附于固体的压力，容易形成浸润状态。而表面能较低的塑料基材，其吸引力低于胶粘剂分子的吸引力，则界面区的胶粘剂分子有一种向液体内部收缩的张力，这样就使胶粘剂在表面能较低的基材成为非浸润态。所以，胶粘剂的表面张力越低，对火工品用有机塑料基材的粘接越有利。

2.3 活性稀释剂配比对粘接性能的影响

固定HY（50%）和1173（5%）不变，考察了几种稀释剂对附着力和粘结强度的影响，对性能较好的稀释剂进行复配考察其粘接性能，结果见表1。

表1 稀释剂不同配比对粘结性能的影响

Tab.1 Effect of different proportion of compound diluent on adhesive property

从表1可以看出，随双官能团稀释剂TPGDA含量增加，固化速率增加，附着力增加，但其增加过量后反而使黏结强度有所减小。这主要是因为随着双官能团的含量增加，碳碳双键含量增加，在双键打开固化的过程中，固化速率提高，固化度增加，附着力有所增加。但是，官能团含量增加较多时，由于胶层体积收缩产生的收缩应力来不及释放，固化收缩率增加反而会影响附着力。单官能团单体固化速率虽然较低，有较充分时间释放收缩应力，同时表面张力有所减小，使其有利于粘接，对提高粘结强度有积极作用。当其与双官能团复配时，由于多官能度单体的交联作用使体系性能发生变化。实验发现IBOA∶TPGDA比例为25%∶25%至20%∶30%时测试粘接的的综合性能较好。

3 结束语

通过实验发现胶粘剂中稀释剂对胶粘剂的黏结强度影响较大，对表面能较低的火工品专用塑料壳体与导线间的粘接影响较大。选用双官能团活性稀释剂比单官能团和三官能团黏结强度更好，实验发现采用复配效果更佳，当单官能团IBOA与TPGDA复配且其比例控制在（1∶1～2∶3）之间，其总量控制在胶粘剂总组分含量的45%~55%之间时，对火工品专用有机透明塑料的粘接效果最佳。

[1] 韩俊凤,马平,等.活性稀释剂对自由基型UV固化反应过程的影响[J].粘接,2006(1):5-6.

[2] 龚胜昭,高洪潮.精细化学品检验技术[M].北京:科学出版社,2010.

[3] 陈少东,赵武.日用化学品检测技术[M].北京:化学工业出版社,2015.

[4] 陈用烈,曾照华.辐射固化材料及其应用[M].北京:化学工业出版社,2003.

[5] 丁伟.低粘度可喷涂UV固化木器基涂料及性能的研究[D].淮南:安徽理工大学,2004.

[6] 孙会宁.低表面能基材粘接用胶粘剂的研究[D].淮南:安徽理工大学,2006.

[7] 江棂.工科综合化学[M].淮南:化学出版社,2006.

[8] 李素婷.物理化学[M].北京:化学工业出版社,2014.

Study on the Influence of Diluent on UV Curing Adhesive for Initiating Explosive Device Bonding

SUN Hui-ning1, CHEN Bao-wei2，MA Jia-ju3

(1.Departmenrt of Material Engineering, Mianyang Polytechnic，Mianyang，621000；2.Xi’an Northern Qinghua Electric Appliances Company，Xi’an，710025；3.Departmenrt of Chemistry Engineering，Anhui University of Science and Techology，Huainan，232001)

Aimed at clear plastic material usually used for initiator shell, the effect of diluents on adhesive property of ultraviolet(UV) curing adhesive was studied. Through studying the influence of diluent content and surface tension of diluent on adhesive property, as well as the adhesive property of different diluent and compound diluents, the best ratio of compound diluents and its content in UV curing adhesive were obtained.

Initiating explosive device；Diluent；Ultraviolet；Adhesive；Donding strength

1003-1480（2017）05-0012-04

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.05.004

2017-08-12

孙会宁（1978 -），女，副教授，主要从事化学教学及新材料研究。