紫外光固化膠粘劑的粘接強度研究
涂料網訊
劉海濤
（廣州機械科學研究院博士后科研工作站廣東廣州510700）
摘要以二官能團PUA（聚氨酯丙烯酸酯）為基體樹脂四氫呋喃丙烯酸酯為稀釋單體γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷（KH-560）為偶聯劑HCPK（1-羥基環己基苯基甲酮）為光引發劑和nano-SiO2（納米二氧化硅）為填料成功制備出一種UV（紫外光）固化膠將UV固化膠用于PC（聚碳酸酯）塑料片材的膠接并以該膠接件的T型剝離強度作為考核指標采用單因素試驗法優選出制備UV固化膠的較佳配方結果表明當w（二官能團PUA）=64%w（HCPK）=3.0%w（KH-560）=1.00%w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%和w（nano-SiO2）=2.0%時UV固化膠的剝離強度達到甚至超過市售同類產品（loctite3106）
關鍵詞光固化膠粘劑剝離強度聚碳酸酯
中圖分類號TQ433.43 文獻標志碼A 文章編號1004－2849（2011）05－0015-04
0前言
UV（紫外光）固化膠具有固化速率快可大面積施工和生產效率高等優點已在電子電器醫療器械等領域中得到廣泛應用UV固化膠的粘接強度主要與配方被粘接材料及其表面處理技術等有關并且UV固化膠中低聚物的選擇及配方設計極其重要[1-3]
本研究以二官能團PUA（聚氨酯丙烯酸酯）為基體樹脂四氫呋喃丙烯酸酯為稀釋單體并輔以偶聯劑填料和光引發劑等制備UV固化膠然后以PC（聚碳酸酯）塑料為被粘接材料著重探討了UV固化膠中各組分變化對PC塑料粘接強度的影響從中優選出制備UV固化膠的較佳配方
1試驗部分
1.1試驗原料
聚己內酯二醇（PCL）工業級德國BASF公司異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）工業級德國BAYER公司丙烯酸羥乙酯（HEA）工業級日本觸媒公司四氫呋喃丙烯酸酯丙烯酸異冰片酯甲基丙烯酸羥乙酯己二醇二丙烯酸酯二縮三丙二醇二丙烯酸酯三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）工業級Sartomer公司γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷（KH-560）γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）乙烯基三乙氧基硅烷（A151）乙烯基三甲氧基硅烷（A171）N-β-（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH-792）工業級佛山文泰化工有限公司nano-SiO2（納米二氧化硅）工業級Degussa公司nano-CaCO3（納米碳酸鈣）硅灰粉金紅石型TiO2（鈦白粉）工業級廣州瑞格化工有限公司HCPK（1-羥基環己基苯基甲酮）工業級常州華鈦化學有限公司
0.175mm厚PC（聚碳酸酯）塑料片材美國GE公司
1.2試驗儀器
SafQ-H10K型臺式萬能材料試驗機德國SafQ公司Intelli-Ray400型全功能UV固化機（光源為400W金屬鹵素燈）美國Uvitron公司Sirion200型掃描電鏡荷蘭FEI公司
1.3試驗制備
1.3.1二官能團PUA的制備
在裝有溫度計攪拌器和抽真空裝置的四口燒瓶中加入計量的PCL升溫至110℃真空脫水2h降溫至80～85℃加入IPDI攪拌反應若干時間待-NCO含量達到設計值時升溫至90℃加入計量的HEA繼續反應2～3h
1.3.2UV固化膠及測試用樣品的制備
（1）UV固化膠的配制用稀釋單體溶解HCPK然后加入其他組分攪拌均勻即可
（2）PC膠接件的制備將兩塊相同尺寸的PC片材（300mm×25mm）膠接在一起（膠接面積為180mm×25mm膠層厚度為0.02~0.03mm）然后在UV輻照下固化完全（UV輻射源的主波長為365nm入射光強為60mW/cm2光照時間為20s）
1.4測試與表征
（1）T型剝離強度按照GB/T27911995標準采用萬能材料試驗機進行測定（測試溫度為21～25℃相對濕度為45%～55%）
（2）體積收縮率[4]先測定固化前后試樣的密度然后根據密度計算體積收縮率（水為參比物測試溫度為25℃UV固化）
（3）微觀形貌采用掃描電鏡（SEM）進行觀測（噴金處理剝離后的PC板材放大倍數為180倍） ｜
2結果與討論
2.1稀釋單體種類對膠粘劑粘接強度的影響
在其他條件保持不變的前提下[如w（二官能團PUA）=64%w（稀釋單體）=30%w（KH-560）=1.00%w（HCPK）=3.0%和w（nano-SiO2）=2.0%上述原料的質量分數均相對于總物料而言]通過改變稀釋單體種類來考察膠粘劑粘接強度和體積收縮率的變化情況結果如表1所示
表1 稀釋單體各類對膠粘劑性能的影響
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由表1可知當稀釋單體為四氫呋喃丙烯酸酯和丙烯酸異冰片酯時相應膠粘劑的粘接強度相對較高體積收縮率相對較低這是由于這兩種稀釋單體均屬于單官能團單體并且兩者側基體積均較大故相應膠粘劑的體積收縮率均相對較低另外四氫呋喃丙烯酸酯對大多數塑料（包括PC）的溶脹能力均較強從而有利于改善相應膠粘劑與塑料間的粘接強度綜合考慮本研究選擇四氫呋喃丙烯酸酯作為UV固化膠的稀釋單體
2.2偶聯劑種類及用量對膠粘劑粘接強度的影響
在其他條件保持不變的前提下[如w（二官能團PUA）=64%w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%w（硅烷偶聯劑）=1.00%w（HCPK）=3.0%和w（nano-SiO2）=2.0%等]通過改變偶聯劑種類和用量來考察膠粘劑粘接強度的變化情況結果如表2和表3所示
表2 偶聯劑各類對膠粘劑剝離強度的影響
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由表2可知KH-560KH-570對膠粘劑附著力的貢獻相對較大（這是由于前者分子中環氧基與PC的親和力較好后者分子中雙鍵可在UV輻照下參與固化反應故相應膠接件的剝離強度明顯提高）綜合考慮選擇KH-560為偶聯劑時較適宜
表3 KH-560用量對膠粘劑剝離強度的影響
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由表3可知膠粘劑剝離強度隨KH-560用量增加基本上呈先快速上升后趨于穩定態勢當w（KH-560）=1.50%時膠粘劑的剝離強度相對最高這是由于過少的KH-560不能完全潤濕覆蓋被粘物表面致使膠接件的剝離強度相對較低過多的KH-560會與水在膠接界面處發生縮合反應致使膠粘劑的剝離強度不升反降綜合考慮成本與性能因素選擇w（KH-560）=1.00%時較適宜｜
2.3填料種類及用量對膠粘劑粘接強度的影響
填料既可以調節體系黏度又具有補強作用因此填料種類對膠粘劑性能影響較大在其他條件保持不變的前提下[如w（二官能團PUA）=64%w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%w（KH-560）=1.00%w（填料）=2.0%和w（HCPK）=3.0%等]通過改變填料類型來考察膠粘劑剝離強度的變化情況結果如表4所示由表4可知膠粘劑的剝離強度隨填料種類不同而異當填料為TiO2時相應膠粘劑的剝離強度相對最低當填料為nano-SiO2時相應膠粘劑的剝離強度相對最高
表4 填料各類對膠粘劑剝離強度的影響
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這是由于TiO2能吸收大量UV輻射能致使相應膠粘劑固化不完全表現為膠粘劑的粘接強度極低硅灰粉粒徑較大會阻止UV深層固化致使相應膠粘劑的粘接強度相對較低nano-CaCO3易吸濕因而會嚴重影響UV固化膠的長期穩定性nano-SiO2既具有增黏作用又賦予膠粘劑良好的粘接強度因此本研究選擇其作為UV固化膠的填料表5列出了nano-SiO2用量與膠粘劑粘接強度的關系
表5 nano-SiO2用量對膠粘劑剝離強度的影響
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由表5可知膠粘劑剝離強度隨nano-SiO2用量增加呈先升后降態勢當w（nano-SiO2）=1.5%~2.5%時膠粘劑的剝離強度相對較高（三者差別不大）并且與不含填料的純UV固化膠相當這是由于nano-SiO2的主要作用是增加體系觸變性故其用量大小對膠粘劑的粘接強度影響較大（一方面nano-SiO2可有效提高膠粘劑的本體強度從而有利于提高膠接件的粘接強度另一方面nano-SiO2可有效提高膠粘劑的剛性致使膠粘劑的粘接強度呈下降態勢）綜合考慮選擇w（nano-SiO2）=2.0%時較適宜
2.4光引發劑用量對膠粘劑粘接強度的影響
UV固化膠的性能與光引發劑種類及用量有關一方面光引發劑種類必須與UV輻射源相匹配另一方面光引發劑用量會直接影響臨界曝光量和透射深度因而對膠粘劑的固化性能及固化深度影響較大HCPK是常用的光引發劑其最大吸收波長為333nm[5]與市售的主發射波長為365nm的UV輻射源相接近同時其具有引發活性高不易黃變和熱穩定性好等優點因此本研究選擇HCPK作為UV固化膠的光引發劑
在其他條件保持不變的前提下[如w（二官能團PUA）=64%w（KH-560）=1.00%w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%和w（nano-SiO2）=2.0%等]通過改變HCPK用量來考察膠粘劑剝離強度的變化情況結果如表6所示
表6 HCPK用量對膠粘劑剝離強度的影響
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由表6可知膠粘劑剝離強度隨HCPK用量增加呈先快速上升后緩慢下降態勢當w（HCPK）=3.0%時剝離強度相對最大這是由于光引發劑用量過少時膠粘劑固化不充分表現為剝離強度相對較低光引發劑用量過多時體系中會殘留較多的引發劑致使膠粘劑的粘接強度和耐久性呈下降態勢綜合考慮選擇w（HCPK）=3.0%時較適宜 ｜
2.5自制UV固化膠與市售同類產品性能對比
綜上所述制備UV固化膠的較佳配方為w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%w（KH-560）=1.00%w（二官能團PUA）=64%w（nano-SiO2）=2.0%和w（HCPK）=3.0%將該UV固化膠與loctite3106（市售同類產品）進行對比試驗被粘接材料為PC片材不同膠接件的剝離強度剝離后的微觀形貌如表7圖1所示
表7 自制UV固化膠和loctite3106的剝離強度
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由表7圖1可知自制UV固化膠的剝離強度高于loctite3106說明自制UV固化膠的粘接性能已達到loctite3106的水平兩種膠接件經T型剝離強度檢測后其剝離界面均比較粗糙說明試樣的破壞類型均為較理想的內聚破壞
圖1 PC膠接件剝離后的SEM照片
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3結語
（1）制備UV固化膠的較佳配方為w（二官能團PUA）=64%w（KH-560）=1.00%w（四氫呋喃丙烯酸酯）=30%w（HCPK）=3.0%和w（nano-SiO2）=2.0%
（2）雖然膠接件的剝離強度與施膠厚度施膠均勻度等有關但自制UV固化膠的剝離強度已達到甚至超過市售同類產品（loctite3106）說明前者的應用前景良好
參考文獻
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[4]劉海濤.光固化三維打印成形材料的研究與應用[D].武漢華中科技大學出版社2009.
[5]陳用烈曾兆華楊建文.輻射固化材料及其應用[M].北京化學工業出版社2003.
