纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的制备方法

摘要

纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，它涉及环氧树脂胶粘剂的制备方法。它解决了现有纳米二氧化硅改性环氧树脂胶粘剂存在高温性能和剥离强度并不理想的问题。方法：一、制备经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子；二、制备纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂；三、配制纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂。本发明具有改性纳米粒子加入量少，增韧效果明显，高温强度较高的特点，本发明制备的纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂剥离强度和剪切强度显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及环氧树脂胶粘剂的制备方法。

背景技术

无机纳米粒子具有表面效应、体积效应和量子效应等特性，将其应用于环氧树脂改性 不但可以提高粘结性能，还可以提高环氧树脂的刚性和模量。但由于无机纳米粒子与环氧 树脂相容性较差，纳米粒子在环氧树脂中分散性不好，粒子易团聚，从而影响改性效果。

目前主要采用硅烷偶联剂对纳米粒子表面改性的方法克服上述不足。有报道采用高速 搅拌的方法，将硅烷偶联剂预处理过的纳米二氧化硅分散与环氧树脂中，纳米二氧化硅添 加量为2.91wt%时，其拉伸剪切强度达到极值，较纯环氧树脂提高了44%（彭志刚，固体 火箭技术，2002，25(4)）。名称为“纳米粉末改性环氧胶粘剂的制备方法(申请号为 200510049964.6申请人为2005.06.06)”的专利中，在双组份环氧树脂胶粘剂中添加气相 二氧化硅，采用机械或溶液共混的方法，制得纳米二氧化硅改性的环氧树脂胶粘剂，其强 度较未改性的胶粘剂有明显地提高。通过选用自制的长链硅烷偶联剂对硅溶胶表面改性， 既可以获得分散较好的硅溶胶/环氧树脂，还可以有效的改善硅溶胶与环氧树脂的界面性 能。加入2%的长链硅烷偶联剂改性硅溶胶，其拉伸剪切强度较纯环氧树脂提高了约40% （冯金辉，新型建筑材料，2009(9)）。上述制备纳米二氧化硅改性环氧树脂胶粘剂的方法 仅在常温粘接性能上有明显提高，但高温性能和剥离强度并不理想，因而改性效果有限。

发明内容

本发明目的是为了解决现有纳米二氧化硅改性环氧树脂胶粘剂存在高温性能和剥离 强度并不理想的问题，而提供纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的制备方法。

纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的制备方法，按以下步骤进行：一、 将3～30g硅溶胶与20～80g溶剂混合，在1200～2400r/min的剪切速率下搅拌0.5～1.5h， 然后调节剪切速率至120～600r/min，升温至65～85℃，并在氮气保护下，将溶解了引发 剂的丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂匀速滴加到反应体系中，反应3～6h，即制得经过聚丙 烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子；

二、将步骤一得到的经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子与30～100g环氧 树脂混合，在90～120℃下反应1～2h，然后加入对苯二酚，再以真空脱气法除去溶剂、 未反应的丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂，即制得纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂；

三、按重量份数称取100份的纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂、5～100份的 环氧树脂固化剂，混合搅拌至均匀，即制得纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘 剂；

其中步骤一中所述的硅溶胶为无离子型硅溶胶、碱性钠型硅溶胶、碱性氨型硅溶胶、 酸性无稳定剂型硅溶胶、酸性有稳定剂型硅溶胶、甲醇型硅溶胶、乙醇型硅溶胶、异丙醇 型硅溶胶、硅铝复合型硅溶胶和硅钛复合型硅溶胶中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的溶剂为丁酮、环己酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、异丙醇、丁醇、 环己醇、甲苯、二甲苯、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、吡啶和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化异丙苯、过氧 化苯甲酰和过氧化二苯甲酰中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的丙烯酸酯类共聚单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、 甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、二丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸乙二 醇酯、二丙烯酸二乙二醇酯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、二甲基丙烯酸三乙二醇酯、二甲 基丙烯酸三乙二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙烯酸 缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯 腈、甲基丙烯腈、氯乙烯、丁二烯和顺丁烯二酸酐中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的偶联剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、γ-环氧化丙氧基丙基 三乙氧基硅烷（KH-560）和γ-甲基丙烯酸酯丙基三甲氧基硅烷（KH-570）中的一种或几 种的组合；

步骤二中所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、线型酚醛环氧 树脂、间苯二酚二缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族多元醇缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯 型环氧树脂、缩水甘油芳胺型环氧树脂、有机硅环氧树脂、线型脂肪族环氧树脂和脂环族 环氧树脂中的一种或几种的组合；

步骤三中所述的环氧树脂固化剂为脂肪族胺类、芳香族胺类、咪唑类、三乙醇胺、双 氰胺、聚酰胺、改性脂肪胺和有机酸酐中的一种或几种的组合。

本发明制备纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的方法，具有改性纳米粒 子加入量少，增韧效果明显，高温强度较高的特点，本发明制备的纳米二氧化硅/聚丙烯 酸酯改性环氧树脂胶粘剂的剥离强度、25℃剪切强度和80℃剪切强度显著提高，粘接性 能优异。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意 组合。

具体实施方式一：本实施方式纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的制备 方法，按以下步骤进行：一、将3～30g硅溶胶与20～80g溶剂混合，在1200～2400r/min 的剪切速率下搅拌0.5～1.5h，然后调节剪切速率至120～600r/min，升温至65～85℃，并 在氮气保护下，将溶解了引发剂的丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂匀速滴加到反应体系中， 反应3～6h，即制得经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子；

二、将步骤一得到的经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子与30～100g环氧 树脂混合，在90～120℃下反应1～2h，然后加入对苯二酚，再以真空脱气法除去溶剂、 未反应的丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂，即制得纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂；

三、按重量份数称取100份的纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂、5～100份的 环氧树脂固化剂，混合搅拌至均匀，即制得纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘 剂；

其中步骤一中所述的硅溶胶为无离子型硅溶胶、碱性钠型硅溶胶、碱性氨型硅溶胶、 酸性无稳定剂型硅溶胶、酸性有稳定剂型硅溶胶、甲醇型硅溶胶、乙醇型硅溶胶、异丙醇 型硅溶胶、硅铝复合型硅溶胶和硅钛复合型硅溶胶中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的溶剂为丁酮、环己酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醇、异丙醇、丁醇、 环己醇、甲苯、二甲苯、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、吡啶和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化异丙苯、过氧 化苯甲酰和过氧化二苯甲酰中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的丙烯酸酯类共聚单体为丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、 甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、二丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸乙二 醇酯、二丙烯酸二乙二醇酯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、二甲基丙烯酸三乙二醇酯、二甲 基丙烯酸三乙二醇酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙烯酸 缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯 腈、甲基丙烯腈、氯乙烯、丁二烯和顺丁烯二酸酐中的一种或几种的组合；

步骤一中所述的偶联剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、γ-环氧化丙氧基丙基 三乙氧基硅烷（KH-560）和γ-甲基丙烯酸酯丙基三甲氧基硅烷（KH-570）中的一种或几 种的组合；

步骤二中所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、线型酚醛环氧 树脂、间苯二酚二缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族多元醇缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯 型环氧树脂、缩水甘油芳胺型环氧树脂、有机硅环氧树脂、线型脂肪族环氧树脂和脂环族 环氧树脂中的一种或几种的组合；

步骤三中所述的环氧树脂固化剂为脂肪族胺类、芳香族胺类、咪唑类、三乙醇胺、双 氰胺、聚酰胺、改性脂肪胺和有机酸酐中的一种或几种的组合。

本实施方式中硅溶胶为组合物时各成分间为任意比；溶剂为组合物时各成分间为任意 比；引发剂为组合物时各成分间为任意比；丙烯酸酯类共聚单体为组合物时各成分间为任 意比；偶联剂为组合物时各成分间为任意比；环氧树脂为组合物时各成分间为任意比；环 氧树脂固化剂为组合物时各成分间为任意比。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一种将15g硅溶胶与 50g溶剂混合，在2000r/min的剪切速率下搅拌1h，然后调节剪切速率至400r/min，升 温至80℃。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中引发剂的用量 为0.1～1.5g，丙烯酸酯类共聚单体的用量为3～30g，偶联剂的用量为1.5～15g。其它步 骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中匀速滴加 是在1～3h内完成滴加。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中将步骤一 得到的经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子与80g环氧树脂混合，在110℃下反 应1.5h。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中对苯二酚 的加入量占丙烯酸酯类共聚单体与偶联剂总质量的0.5～1.5%。其它步骤及参数与具体实 施方式一至五之一相同。

实施例：

采用如下方法制备纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂：一、将10g甲醇型硅溶 胶与50g丁醇混合，在2000r/min的剪切速率下搅拌1h，然后调节剪切速率至400r/min， 升温至80℃，并在氮气保护下，将溶解了引发剂的丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂匀速滴 加到反应体系中（即在2h内完成滴加），反应3～6h，即制得经过聚丙烯酸酯改性的纳米 二氧化硅复合粒子；

二、将经过聚丙烯酸酯改性的纳米二氧化硅复合粒子与60g双酚A型环氧树脂E-51 混合，在110℃下反应1.5h，然后加入对苯二酚，再以真空脱气法除去溶剂、未反应的丙 烯酸酯类共聚单体和偶联剂，即制得纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂(即组分A)；

其中引发剂为0.5g的过氧化二苯甲酰（BPO）；对苯二酚的加入量占丙烯酸酯类共 聚单体与偶联剂总质量的1%。

丙烯酸酯类共聚单体和偶联剂的具体成分和用量如表1

表1

上述方法制备了4种纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂，即组分A1、A2、A3 和A4；

按重量份数各称取100份组分A1、A2、A3和A4，分别与80份聚酰胺300^#（即组 分B1）进行混合搅拌至均匀，即制成纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂 A1/B1、A2/B1、A3/B1和A4/B1。

对照1组：按重量份数称取100份双酚A型环氧树脂E-51，与80份聚酰胺300^#（组 分B1）进行混合搅拌至均匀，即制成未改性的环氧树脂胶粘剂A0/B1。

对照2组：一、将50g双酚A型环氧树脂E-51溶解于40g丁酮中，然后加入10g甲 醇硅溶胶，搅拌1h后，以真空脱气方法除去溶剂，得到的纳米二氧化硅改性的环氧树脂， 即组分A5；二、按重量份数称取100份A5，与80份聚酰胺300^#（组分B1）进行混合搅 拌至均匀，即制成纳米二氧化硅改性的环氧树脂胶粘剂A5/B1。

将A1/B1、A2/B1、A3/B1、A4/B1、A0/B1和A5/B1分别均匀涂于处理过的试片上， 在65℃下固化3h后，然后进行粘接强度测试，测试条件参照以下标准：

1.剥离强度测试：

按GB7122-1986胶粘剂90°剥离强度试验方法进行测试；

试片材料：LY12CZ铝合金；

试片表面处理方法：按HB/Z197-91结构胶接铝合金磷酸阳极化工艺规范进行表面阳 极化处理。

2.剪切强度测试：

按GB7124-1986拉伸剪切强度测定方法进行测试；

试片材料：LY12CZ铝合金；

试片表面处理方法：用60^#砂纸打磨后，在60±5℃下，用铬酸洗液（K₂Cr₂O₇:浓 H₂SO₄:H₂O=1:10:30）处理10-15min后，取出冲洗干净，放入60℃烘箱中干燥1-2h。

测试结果如表2所示，本实施例中具有改性纳米粒子加入量少，增韧效果明显，高温 强度较高的特点，本实施例中制备的纳米二氧化硅/聚丙烯酸酯改性环氧树脂胶粘剂的剥 离强度、25℃剪切强度和80℃剪切强度显著提高，其中，A4/B1的剥离强度比纯E-51/聚 酰胺300^#体系提高了63.4%，常温剪切强度提高了34.3%，80℃剪切强度提高70.3%。

表2粘接强度测试结果