双碳战略下热力部件用胶的抗老化耐热及粘接性能研究

刘栋 赵远强 赵梦麒 艾子毅 史可垚

摘 要：在传统胶粘剂中加入不同含量碳硼烷（CB01），考察了CB01含量、深冷处理等对胶粘剂抗老化与粘接性能及耐热性能的影响。结果表明，随着碳硼烷含量逐渐升高，胶粘剂试样的剪切强度先增后减，在CB01含量为30%时取得胶粘剂试样剪切强度最大值，约为12.28 MPa，相较CB01含量为20%时提高了114.69%。随着老化温度升高，胶粘剂试样的室温剪切强度逐渐降低，当老化温度为300 ℃及以下时，胶粘剂试样的室温剪切强度降低幅度较小，表明在这个温度范围内胶粘剂仍然具有较高的耐热性。当CB01含量增加至30%和40%时，深冷处理可以明显提升胶粘剂试样的室温剪切强度。

关键词：供热关键部件；胶粘剂；碳硼烷；粘接性能；耐热性能

中图分类号：TQ437+.9

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0049-04

Study on the aging resistance，heat resistance and adhesive properties of adhesives for thermal components under dual-carbon strategy

LIU Dong1，ZHAO Yuanqiang1，ZHAO Mengqi1，AI Ziyi1，SHI Keyaoi2

（1.Beijing District Heating Group Co.，Ltd.，Beijing 100022 ，China；

2.Beijing Deliheng Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 102200，China

）

Abstract：The effects of the content of carborane （CB01） and cryogenic treatment on the aging resistance，bonding performance and heat resistance of the adhesive were investigated by adding different contents of CB01 into traditional adhesives.The results showed that the shear strength of the adhesive samples increased first and then decreased with the gradual increase of carborane content.The maximum shear strength of the adhesive sample was 12.28 MPa when the CB01 content was 30%，which was 114.69% higher than that when the CB01 content was 20%.With the increase of aging temperature，the room temperature shear strength of the adhesive sample gradually decreased，when the aging temperature was 300 ℃ or below，the room temperature shear strength of the adhesive sample decreased slightly，indicating that the adhesive still had high heat resistance within this temperature range.When the content of CB01 increased to 30% and 40%，cryogenic treatment could significantly improve the room temperature shear strength of adhesive samples.

Key words：key heating components;adhesive;carborane;adhesive performance;heat resistance performance

在“雙碳”战略背景下，集中供暖行业中各类以实现低碳或零碳目标的供热技术应运而生，但是要保障供热运行稳定性，其中关键环节是如何保障供热关键部件的粘接性能和耐热性能，而目前供热关键部件大多使用的是环氧树脂类胶粘剂［1-3］，其耐热性无法满足“双碳”战略下供热环境部件的使用要求，需要对其进行耐热改性处理，以保证在不降低粘接性能的前提下，提升其耐热性［4-5］。通过在传统胶粘剂中加入不同含量碳硼烷（CB01）的方法，考察了CB01含量、深冷处理等对胶粘剂粘接性能和耐热性能的影响，以期通过对传统胶粘剂进行耐热改性，提升供热关键部件用胶粘剂的综合力学性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验原料包括碳硼烷（CB01）、酚醛环氧树脂（F51）、304不锈钢板（厚度2 mm）。

1.2 胶粘剂制备

按照GB/T 7124—1986标准进行胶粘剂试样制备，预先将不锈钢清洗除油并吹干，将酚醛环氧树脂和碳硼烷按照比例混合后加入体积分数2%的甲苯，搅拌15 min后涂覆在不锈钢上进行搭接。胶粘剂试样的基板为304不锈钢板，将试样按图1所示的结构粘接后，置于老化炉（温度为300、400、500和600 ℃）中进行老化性能测试，气氛为空气和氮气，流速控制在88 cm3/min，采用MTS810型万能材料试验机对胶粘剂试样进行剪切强度测试。

1.3 测试方法

根据GB/T 7124—1986标准进行单搭接剪切强度测试［6］，温度为室温，控制速率为2 mm/min，结果取3根试样平均值；采用Pyris1型热分析仪对胶粘剂试样进行热重（TGA）测试［7］，保护气为氩气，气体流量 15 mL/min；采用ESCALAB250XI型光电子能谱仪对胶粘剂试样进行X光电子能谱（XPS）分析。

2 结果与分析

2.1 粘接性能

图2为CB01含量对胶粘剂剪切强度的影响，分别列出了CB01含量为20、30%和40%时胶粘剂的剪切强度。可见，当CB01含量为20%时，胶粘剂试样的剪切强度为5.72 MPa；随着碳硼烷含量逐渐升高，胶粘剂试样的剪切强度先增后减，在CB01含量为30%时取得胶粘剂试样剪切强度最大值，约为12.28 MPa，相较CB01含量为20%时提高了114.69%。这主要是因为碳硼烷的加入有助于提升胶粘剂中分子主链的刚性和极性［8］，从而在一定程度提高粘接强度。

图3为不同温度老化后胶粘剂试样的室温剪切强度测试结果，其中CB01含量为30%。可见，在温度为300 ℃时胶粘剂试样的室温剪切强度相较室温略有降低；继续升高老化温度至400 ℃时胶粘剂试样的室温剪切强度降低幅度较大，约为4.23 MPa；进一步升高老化温度至500 ℃时，胶粘剂试样的室温剪切强度降低至1.48 MPa。可见，随着老化温度升高，胶粘剂试样的室温剪切强度逐渐降低，但是当老化温度为300 ℃及以下时，胶粘剂试样的室温剪切强度降低幅度较小，表明在这个温度范围内胶粘剂仍然具有较高的耐热性。这主要是因为在较高的老化温度下（>300 ℃），胶粘剂中的聚合物分子链会发生分解［10］，并在高温下破坏CB01的结构，因此粘接强度会减小并影响剪切强度。

图4为深冷处理对胶粘剂试样室温剪切强度的影响，其中，深冷处理工艺为-196 ℃、保温15 min。对比分析可知，当CB01含量为20%时，深冷处理后对胶粘剂试样的剪切强度影响不大；当CB01含量增加至30%和40%时，深冷处理可以明显提升胶粘剂试样的室温剪切强度，尤其是当CB01含量为40%时深冷处理对胶粘剂试样剪切强度的提升幅度最为明显，此时胶粘剂试样的室温剪切强度已达到15.82 MPa。这主要是因为深冷处理有助于冻结分子链并提升刚性，在深冷处理后环氧树脂刚性的提升有助于增加粘接性能［11-13］。因此，深冷处理后室温剪切强度会有所提高。

2.2 耐热性能

图5为不同CB01含量胶粘剂试样在不同气氛下的TGA曲线。

从图5（a）的空气气氛下的TGA曲线可知，未添加CB01的胶粘剂试样的TGA曲线与其他添加CB01的胶粘剂试样有明显区别；虽然未添加CB01的胶粘剂试样和其他添加CB01的胶粘剂试样都会随着温度升高而出现环氧树脂大分子的分解和碳残留物的降解［14］，在曲线中表现为2个台阶，但是对比分析可知，其他添加CB01的胶粘剂试样在高温下的失重更小，表现出相对更好的耐热性能，且CB01含量越高胶粘剂试样的耐热性能相对会更好。从图5（b）的氮气气氛下的TGA曲线可知，未添加CB01的胶粘剂试样和其他添加CB01的胶粘剂试样也都会随着温度升高而出现环氧树脂大分子的分解和碳残留物的降解，在曲线中表现为两个台阶，但是对比分析可知，其他添加CB01的胶粘剂试样在高温下的失重也都更小，表现出相对更好的耐热性能［15］，且CB01含量越高胶粘剂试样的耐热性能相对会更好。由此可见，无论是在空气气氛还是氮气气氛下，添加CB01的胶粘剂试样的耐热性能都会相对未添加CB01的胶粘剂试样更好，这主要是因为CB01的加入会对胶粘剂中的环氧树脂起到保护作用［16］，避免在高温下发生氧化。

图6为CB01含量为30%胶粘剂试样在空气气氛下老化后的XPS图谱。

由图6对比分析可知，还没有进行高温老化处理前，胶粘剂试样中存在284  eV位置处的C—C，286 eV位置处的C—N，287 eV位置处的C—B，288 eV位置处的C—O峰，且在189 eV位置处可以发现—CB10H10C峰，对应胶粘剂中CB01的存在；而经过高温老化处理后，在不同温度下XPS图谱中都新增加了几个衍射峰，分别出现在190 eV和192 eV位置处，表明胶粘剂中CB01已经被氧化［17］，且在老化温度为600 ℃时，胶粘剂中CB01已基本完全被氧化。

图7为CB01含量为30%胶粘剂试样在氮气气氛下老化后的XPS图谱。

由图7对比分析可知，还没有进行高温老化处理前，胶粘剂试样中在189 eV位置处也存在-CB10H10C峰，对应胶粘剂中CB01的存在［18］，而在高温氮气环境下经过高温老化处理后，在不同温度下XPS图谱中都新增加了几个衍射峰，分别也出现在190 eV和192 eV位置处，表明胶粘剂中CB01已经被氧化［19］。此外，由于此时老化是在氮气气氛下进行的，没有空气中的氧参与，因此可用推测，胶粘剂中环氧树脂的分子结构也有一定程度破坏［20］，并有部分氧参与了CB01的反应而形成了 B2O3。

3 结语

（1）当CB01含量为20%时，胶粘剂试样的剪切强度为5.72 MPa；随着碳硼烷含量逐渐升高，胶粘剂试样的剪切强度先增后减，在CB01含量为30%时取得胶粘剂试样剪切强度最大值，约为12.28 MPa，相较CB01含量为20%时提高了114.69%;

（2）随着老化温度升高，胶粘剂试样的室温剪切强度逐渐降低，但是当老化温度为300 ℃及以下时，胶粘剂试样的室温剪切强度降低幅度较小，表明在这个温度范围内胶粘剂仍然具有较高的耐热性；

（3）当CB01含量为20%时，深冷处理后对胶粘剂试样的剪切强度影响不大；但是当CB01含量增加至30%和40%时，深冷處理可以明显提升胶粘剂试样的室温剪切强度，尤其是当CB01含量为40%时深冷处理对胶粘剂试样剪切强度的提升幅度最为明显，此时胶粘剂试样的室温剪切强度已达到15.82 MPa。

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收稿日期：2023-06-18；修回日期：2023-09-12

作者簡介：刘 栋（1991-），男，硕士，工程师，研究方向：双碳战略技术应用及新材料科学；E-mail：liuod763@sina.com。

引文格式：刘 栋，赵远强，赵梦麒，等.

双碳战略下热力部件用胶的抗老化耐热及粘接性能研究［J］.粘接，2023，50（11）：49-52.