装饰用UV延迟固化环保型胶粘剂制备及性能分析

陈蕊 黄四平 黄文华 刘有全

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.004

摘 要：针对传统热固化技术中效率低、材料强度低等问题，制备一种UV延迟固化胶粘剂，并对其工艺进行优化，研究其强度、热稳定性、耐化学性等。试验结果表明，选择25%EP3作为活性稀释剂，1%TR-PAG-20101作为阳离子光引发剂，光固化时间为10 s；试验制备的25%EP3UV延迟固化胶粘剂的粘接强度为（3.52±0.16） MPa，拉伸剪切强度为3.6 MPa，固化反应时间在5 min之内，热分解温度在300 ℃以上；材料在沸水和酸性溶液（pH=2）环境下，强度依然较好，其中，酸性溶液浸泡后强度为（3.36±0.40） MPa。因此，试验制备的UV延迟固化胶粘剂具备良好的力学性能。

关键词：UV延迟固化；胶粘剂；强度；热稳定性；耐化学性

中图分类号：TQ433.9       文献标志码：       A文章编号：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

受到環保意识和安全意识不断增强的影响，解决传统热固化技术中的效率低、成本高等问题，成为现代科学研究的一个焦点。而紫外光（UV）固化技术有着绿色环保、效率高等特点，能代替传统热固化技术应用于众多领域。对此，研究了紫外光固化技术在家具或木制品表面装饰、砖涵修复等方面的应用^[1-2]。制备了一种含新型紫外光吸收剂的UV固化涂料，并对其性能优化效果进行探讨^[3]。制备了一种高性能UV延迟固化结构胶^[4]。虽然众多学者针对UV固化技术的优化做了许多研究，但还有较大的优化空间。考虑到环保胶粘剂在日常应用中面临的大量酸性环境等因素，试验以双酚A环氧树脂为主要材料，结合多种活性稀释剂以及三芳基硫鎓盐（TR-PAG-20101）阳离子光引发剂，制备了一种UV延迟固化胶粘剂，并在不透光材料基体上优化其工艺参数，对其强度、热稳定性、耐化学性进行分析。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：双酚A环氧树脂（E51，AR），上海优赐新材料；三羟甲基丙烷缩水甘油醚（EP3，AR），徐州熠辉扬新材料；1，6-己二醇二缩水甘油醚（669，AR），苏州森达菲化工；苯基缩水甘油醚（692，AR），苏州印盛禾化工；3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷（OXA，AR），广州翁江化学试剂；三芳基硫鎓盐（TR-PAG-20101，AR），南京嘉中化工；304不锈钢（06Cr19Ni10），无锡铭新特钢。

主要设备：GH-200型数显电子天平（日本艾安得）；79-1型数显恒温多功能搅拌器（新北区春江同创实验仪器）；CT-C-0型真空干燥箱（南京征宇干燥设备）；SY-130型光固化机（浦江县亿驰机械设备）；LZD-GZ9123C型电热恒温干燥箱（盛世路通试验仪器）；DV-P3型流变仪（上海越平仪器）；ZB-810型电子万能拉伸试验机（江苏正瑞太邦）；BXT-TGA1250型热重分析仪（上海能共）。

1.2 试验方法

1.2.1 改性UV延迟固化胶粘剂的制备

（1）用电子天平按一定比例称取双酚A环氧树脂（E51）、活性稀释剂（EP3、669、692、OXA）和掺入质量分数为1%的阳离子光引发剂（TR-PAG-20101）;

（2）通过数显多功能搅拌器充分搅拌混合均匀， 搅拌转速和搅拌时间分别为1 500 r/min、5 min，获得含有不同种类、含量活性稀释剂的胶液;

（3）将（2）中配置的胶液放入烘箱中，在真空且避光的环境下脱泡处理1 h，获得UV延迟固化胶粘剂。

1.2.2 胶粘剂试件的制备

1.2.2.1 试样基材处理

（1）试样基材为304不锈钢，基材尺寸为50 mm×50 mm×2 mm，先用240目砂纸对304不锈钢进行打磨，之后用600目砂纸再次对304不锈钢进行打磨，使不锈钢表面无杂质;

（2）用无水乙醇擦拭已经打磨处理后的304不锈钢基材，清洗掉不锈钢表面的油污。

1.2.2.2 制备胶粘剂单搭接接头

（1）在处理过的基材表面涂上1.2.1中制备的胶粘剂，胶粘剂涂层厚度为60 μm;

（2）在光固化机下，使用UV高压汞灯，紫外光照射胶粘剂涂层15 s，再在室温环境下放置2 min，其中，紫外光波长和光强分别为270～450 nm、30 mW/cm2;

（3）用特定夹具固定经紫外光处理后的试样，在接头处施加约0.1 MPa的压力使之粘接，然后在室温环境下等待胶粘剂初始固化，胶粘剂产生初始粘接强度；

（4）将初始固化后的试样放入电热恒温鼓风干燥箱中，加热至胶粘剂完全固化，胶粘剂产生最终粘接强度。

1.3 性能测试

1.3.1 强度测试

通过电子万能拉伸试验机对试样进行测试，分析胶粘剂试样的拉伸剪切强度、初始粘接强度和最终粘接强度^[5-7]。

1.3.2 延迟固化性能测试

通过流变仪对试样进行测试，探究延迟固化时间对胶粘剂性能的影响。

1.3.3 热稳定性测试

通过热重分析仪对胶粘剂试样进行测试，分析胶粘剂固化膜的热稳定性能^[8-11]。

1.3.4 耐化学性能测试

将胶粘剂试样浸泡在酸性溶液、碱性溶液、冷水和沸水中，其中，酸性溶液pH值为2，温度80 ℃，浸泡时间1 h；碱性溶液pH值为12，温度80 ℃，浸泡时间1 h；沸水温度100 ℃，浸泡时间1 h；冷水室温，浸泡时间24 h。然后通过试验机分别对不同溶液条件环境的试件进行测试，分析浸泡前后试样粘接强度的变化^[12-15]。

2 结果与分析

2.1 胶粘剂组分优化

2.1.1 活性稀释剂种类优化

在活性稀释剂占胶粘剂总质量固定为25%的情况下，探究不同种类活性稀释剂（EP3、669、692、OXA）对胶粘剂性能的影响。测试结果如表1所示。

由表1可知，EP3和692的粘接定型时间均小于10 min，并产生一定的初始粘接强度，其中，EP3的初始粘接强度和最终粘接强度均最大，分别为（3.02±0.24）MPa、（3.52±0.16）MPa，主要原因是EP3作为三官能度活性稀释剂，其反应活性较高，会使胶粘剂的固化反应速率加快；同时，692含有苯环结构，有利于开环反应，其固化反应速率也较快，但粘接强度小于EP3，这主要是因为692作为低官能度活性稀释剂，降低了胶粘剂体系的交联密度，从而材料的性能降低^[16]；而669和OXA的粘接定型时间均大于10 min，反应活性较低，胶粘剂的粘接定型時间太长，在实际应用中会影响装配效率。粘接性能是胶粘剂的主要性能，因此，试验采用EP3作为UV延迟固化胶粘剂的活性稀释剂。

2.1.2 活性稀释剂含量优化

试验选择以EP3作为活性稀释剂，在其他条件不变的情况下，探究不同活性稀释剂含量对胶粘剂性能的影响，测试结果如图1和图2所示。

由图1可知，随着胶粘剂中EP3含量的增加，胶粘剂的延迟固化时间也在不断增加，而胶粘剂的黏度在不断减少，这表明了活性稀释剂的加入会使胶粘剂体系到达凝胶点的时间推迟，从而延迟固化时间变长^[17-18]。为了实际应用过程中的高效性，胶粘剂的最佳延迟固化时间应在5 min之内，且具有一定的黏度。因此，EP3活性稀释剂的含量在25%～30%比较适宜。

由图2可知，随着胶粘剂体系中EP3含量的增加，粘接强度呈现先上升后趋于平缓的趋势。当EP3的含量达到25%时，胶粘剂的粘接强度上升达到临界点3.5 MPa，此后粘接强度趋于平缓。因此，试验选择的EP3含量为25%。

2.2 光固化时间优化

拉伸剪切强度变化曲线结果如图3所示。

由图3可知，当光固化时间不断增加时，胶粘剂的拉伸剪切强度呈现先增后减的趋势。当光固化时间为6～8 s时，胶粘剂的拉伸剪切强度较小，这是因为辐照时间较短，胶粘剂中阳离子体系产生的酸性物质少，催化固化反应的效果不明显，所以材料的强度较低；当紫外光照射时间为10 s时，拉伸剪切强度上升到3.6 MPa，到达临界点，这表明了一定的紫外光照射时间可以增强材料中的聚合反应速率，固化反应加快，材料的强度增加；此后，随着光固化时间的增加，拉伸剪切强度有所下降，但下降幅度较小，且均高于2 MPa。因此，试验选择的光固化时间为10 s。

2.3 热稳定性分析

材料的热失重曲线如图4所示。

由图4可知，当活性稀释剂中的官能度增加时，胶粘剂固化物的热分解温度出现不断下降的趋势。这是因为活性稀释剂中的官能度会增强胶粘剂体系中的交联结构，交联结构中存在醚键，当活性稀释剂官能度增加时，醚键含量也随之增加，同时，醚键具有较小的键能，在较低的温度下便会断键发生热分解效应，所以，材料的热分解温度降低，热稳定性能下降^[19]。從图4还可知，不同种类活性稀释剂胶粘剂固化物的热分解温度均在300 ℃以上，远远大于实际生活应用中的温度。试验所制备的不同稀释剂种类胶粘剂试件均表现出良好的热稳定性。

2.4 耐化学性能分析

不同环境下材料的拉伸剪切强度由图5所示。

由图5可知，在冷水和碱性溶液（pH=12）中浸泡之后，胶粘剂试样的拉伸剪切强度均下降明显，分别下降至（2.21±0.70）MPa、（2.43±0.64）MPa，下降幅度分别为37.2%、30.9%。这是由于胶粘剂试件在冷水中浸泡时间为24 h，浸泡时间过长导致水分子进入到胶粘剂涂层与基材界面之间，这会在搭接处产生一定的缺陷，因此，材料的拉伸剪切强度不断下降；而在碱性溶液（pH=12）中，胶粘剂固化反应时，阳离子体系会产生酸性物质催化固化反应，但这些酸性物质会与环境溶液中的碱性物质发生反应，导致材料内部产生一定的缺陷，所以材料的强度下降^[20]。在经过沸水处理之后，胶粘剂的拉伸剪切强度有小幅度增强，上升幅度为5.9%。然而，在酸性溶液（pH=2）中浸泡之后，胶粘剂的拉伸剪切强度在一定程度上降低，但下降幅度较小，材料的强度依然良好，为（3.36±0.40）MPa。因此，试验制备的25%EP3含量的UV延迟固化胶粘剂具备良好的耐酸性能和耐沸水性能，材料的耐化学性能好。

3 结语

（1）在UV延迟固化胶粘剂制备工艺优化中，选择EP3作为活性稀释剂，且含量为25%，阳离子光引发剂TR-PAG-20101的含量为1%，光固化时间为10 s;

（2）试验制备的25%EP3UV延迟固化胶粘剂的始粘接强度为（3.02±0.24）MPa，最终粘接强度为（3.52±0.16） MPa，拉伸剪切强度为3.6 MPa，固化反应时间在5 min之内。材料表现出较良好的力学性能;

（3）不同种类活性稀释剂胶粘剂固化物的热分解温度均在300 ℃以上，试验所制备的胶粘剂的热稳定性良好;

（4）在24 h冷水浸泡和1 h碱性溶液（pH=12）浸泡后，试验制备的胶粘剂试样的拉伸剪切强度均下降明显，分别下降了37.2%、30.9%；沸水会小幅度增强试件强度；在酸性溶液（pH=2）中浸泡1 h后，材料的强度依然良好，为（3.36±0.40 ）MPa。因此，试验制备的UV延迟固化胶粘剂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

作者简介：陈 蕊（1982-），女，硕士，副教授，研究方向：装饰材料、室内设计;E-mail：30867900@qq.com。

通讯作者：黄四平（1971-），男，博士，教授，研究方向：材料化学；E-mail：15291039980@139.com。

基金项目：陕西省教育学会2021年教育教学改革研究项目（项目编号：2021Z014）；2022年陕西省社会科学基金项目（项目编号：2022J050）。

引文格式：陈 蕊，黄四平，黄文华，等.装饰用UV延迟固化环保型胶粘剂制备及性能分析[J].粘接，2024，51（2）：13-16.