作者简介:王喜梅(1975-),女,广西合浦县人,高级工程师,主要从事高分子材料的研发及材料的情报研究工作。
耐高温有机胶黏剂研究进展
王喜梅, 拓 锐, 柴 娟
(中国兵器工业集团第五三研究所,山东济南250031)
摘要:对国内外耐高温有机胶黏剂的研究进展进行了综述。对耐高温有机胶黏剂的定义、种类做了简明阐述。对环氧树脂、酚醛树脂、有机硅、聚酰亚胺、聚氨酯、氰酸酯等耐高温胶黏剂的制备、性能和应用进行了较详细的论述。分别讨论了各种耐高温有机胶黏剂基体树脂的结构和性能特点以及提高上述胶黏剂耐高温性能的改性方法。对聚苯并咪唑和聚喹噁啉胶黏剂进行了简介。最后,对耐高温有机胶黏剂今后的发展趋势进行了展望。
关键词:耐高温有机胶黏剂;环氧树脂;酚醛树脂;有机硅;聚酰亚胺;聚氨酯;氰酸酯;聚苯并咪唑;聚喹噁啉中图分类号:T Q 433 文献标识码:A 文章编号:1001-0017(2008)06-0060-05
Pr ogress in Research on H igh Te mperature O rganic Adhesives
WANG Xi -mei,T UO Rui and CHA I Juan
(CNGC Institute 53,J inan 250031,China )
Abstract:The p r ogress in study on high temperature organic adhesives all over the world was revie wed .The definiti on and types of high te mperature organic adhesives were p resented briefly .The p reparati on,p r operties and app licati on of high te mperature organic adhesives including epoxy resin,phenol 2ic resin,silicone,polyi m ide,polyurethane,and cyanate ester were discussed in detail .The structure and characteristic of high te mperature organic adhe 2sives were analyzed .The modificati on methods t o i m p r ove heat -resistance of organic adhesives were als o discussed res pectively .P B I and P Q adhesives were intr oduced briefly .A t last,the further devel opment trend of high te mperature organic adhesives is p resented .
Key words:H igh temperature organic adhesives;epoxy resin;phenolic resin;silicone;polyi m ide;polyurethane;cyanate ester;P B I ;P Q
前 言
近年来,有机胶黏剂有了越来越广泛的应用,胶
接技术亦已发展成熟,并成为胶接、焊接、机械连接当代三大连接技术之一。为了提高电信号的传播速度,电子零件的密集安装使印刷电路控制板发热量增大,因而要求必须使用耐高温有机胶黏剂。此外,耐高温有机胶黏剂也是制备某些航天器的零部件,汽车、坦克和装甲车的密封圈及耐磨件必要的原材料之一。
关于耐高温胶黏剂的定义,国内外至今尚无统一看法,一般认为凡属下列情况者可视为耐高温胶黏剂。
(1)在121~175℃下长期使用(累计1~5a ),或者在204~232℃下累计使用20000~40000h 。
(2)在260~371℃下累计使用200~1000h 。(3)在371~427℃下累计使用24~200h 。(4)在538~816℃下使用2~10m in 。
耐高温有机胶黏剂的主要品种有环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅和氰酸酯等。见
下图所示
。
1.1 环氧类胶黏剂
环氧树脂是一种含有2个或2个以上环氧基的热固性树脂。环氧树脂是一种很好的胶黏剂,可用来粘接金属、陶瓷、玻璃、木材、混凝土及大部分塑料,已广泛应用于飞机、卫星、火箭、船舶、汽车、电子仪器、轻工和建筑等行业。
湖北回天胶业刘鹏
[1]
等人研制的HT 一160环
氧胶黏剂由E 型、F 型环氧树脂,增韧树脂及酚醛胺类固化体系为主体配制而成,室温固化,可在160℃
湖南罗衡强[2]等人研究了一种耐高温环氧树脂胶黏剂,应用于直流牵引电机换向器中聚四氟乙烯的粘接。通过对胶黏剂的配方进行研究,筛选出了高温粘接力好的胶黏剂,用其粘接PTFE的换向器在严酷的高低温循环超速试验中不脱落,通过了试验。用该胶黏剂粘接PTFE生产的换向器在直流牵引电机中运行稳定可靠。
兰州理工大学唐铁红[3]研制了一种用于生产石油射孔弹架的耐高温环氧胶黏剂。由于石油井下环境温度有时达150℃,因此对生产石油射孔弹架的胶黏剂提出了较高的耐温要求;另外,随着射孔新技术的不断发展,要求射孔弹爆炸后射孔弹架能够自行销毁,这就要求在胶黏剂中加入含能填料,使其在爆炸能量的作用下能够稳定燃烧自毁。经过多次试验应用证明,所研制的胶黏剂完全能够满足其性能要求。
黑龙江省石油化学研究院王超[4]等人研制了聚硫醚改性环氧树脂室温固化耐高温结构胶黏剂。通过改进聚硫橡胶的内聚强度和耐热性能,克服了聚硫橡胶耐热性能和增韧效果差的缺点,作为增韧剂,大大地提高了室温固化环氧树脂结构胶黏剂的剥离强度,通过BM I与脂肪胺加成反应,并加入叔胺固化剂,合成具有BM I结构和叔胺的固化剂,以及加入有机硅改性石棉,使室温固化环氧树脂结构胶黏剂的耐热性能达到177℃,瞬间使用温度达300℃,达到室温固化高温使用的目的。该胶黏剂室温固化7d,室温剪切强度23.1MPa,150℃剪切强度13.8 MPa,177℃剪切强度10.3MPa,室温剥离强度4. 2k N/m,300℃剪切强度1.9MPa,并具有良好的综合性能。
上海郑耀卿[5]通过对环氧树脂、液体橡胶、固化剂的选择,研制了一种可以室温固化、耐高温性能好的双组分环氧胶黏剂。该胶黏剂常温下有高的剪切强度,200℃下有较好的耐温性,是一种优良的双组分环氧结构胶。
复旦大学余英丰[6]在大量前期研究的基础上,合成了可以与环氧树脂良好互溶的新型结构的聚醚酰亚胺。并且通过对聚合反应诱导相分离规律的研究和应用,控制分相条件,在少量聚醚酰亚胺改性环氧树脂的体系中得到了“双连续相”和“相反转”相结构,成功研制出适用于航空航天工业的耐温200℃的高性能结构胶黏剂。
天津科技大学采用氨基硅油和端羧基液体丁腈橡胶(CT BN)共同对F-44和E-51混合型环氧树脂改性,配合胺类固化剂和叔胺促进剂(DMP-30),制得了室温固化耐热环氧胶黏剂。粘接铝合金固化后的剪切强度:室温10.3MPa,130℃时8. 3MPa,180℃时3.7MPa[7]。
俄罗斯在20世纪60~80年代开发出了很多耐高温环氧结构胶黏剂。如K一600-31室温固化胶黏剂,最高使用温度为300℃,可用于钢、钛、铝、镁合金、石棉及玻璃钢的粘接;K一400室温固化胶黏剂,该胶在200℃下能长期使用,400℃短时间使用,可用于金属和非金属材料的粘接[9]。
美国Cotr onics公司开发出1种可用于电子灌封和粘接的Duralco4538环氧胶,耐温达232℃,而且极具柔性,完全可以打结,能制成伸长率达800%的产品。可室温固化,能粘接玻璃与黄铜、聚四氟乙烯与陶瓷、陶瓷与塑料(尼龙、聚醚醚酮、聚苯硫醚、酚醛树脂等)。用于灌封和粘接时,则具有很好的耐热冲击性和耐振动性[7]。
美国Tracon公司推出Tra-BondF202双组分环氧树脂胶黏剂,黏度低,透明性好,二组分混合后可于175℃/lh固化,对多种金属、玻璃、陶瓷、塑料等材料具有良好的粘接性能和优良的耐热性,在265℃时仍保持较高的粘接强度[8]。
此外,日本专利中报道A rai Toshishige[10]研制了一种覆铜板用的耐高温胶黏剂,它的30s焊接耐热温度为350℃,粘接强度为68.65MPa。W ashi m i Akirat[11]等用双马来酰亚胺与环氧树脂共混,制得初始弯曲强度为116MPa的胶黏剂,这种胶黏剂在266℃放置7d后的弯曲强度为133MPa,Tg≥300℃,可用作半导体封装材料。
1.2 酚醛类胶黏剂
一般由酚类化合物与醛类化合物缩聚而成的树脂称为酚醛树脂,其中以苯酚与甲醛缩聚而得到的酚醛树脂最为重要。
酚醛树脂由于其原料易得、价格低廉、合成工艺及生产设备简单,且具有良好的耐热、耐化学腐蚀和电绝缘性能,因而广泛应用于国民经济的许多行业。但是,由于纯酚醛树脂存在脆性大、硬度高、韧性低及在高温下易分解等缺点,影响材料的使用性能;此外,纯酚醛树脂胶黏剂的粘接工艺比较复杂。涂胶后需烘烤,再经加热、加压后才能粘合,使胶黏剂的应用受到。随着航空、航天、兵器、汽车和电子等高科技领域的不断发展,改性酚醛树脂胶黏剂受
到了人们的广泛关注。
武汉工业大学庞金兴
[12]
等人以钼酚醛树脂、改
性环氧树脂、丁腈-40、聚乙烯醇缩丁醛和硅烷偶联剂为甲组分,复合多元胺类固化剂为乙组分,合成出常温固化的耐高温胶黏剂。适用于耐高温材料、摩擦材料、金属制品零件、复合包装材料等的粘接。
江西省科学院王丁
[13]
等人采用甲基苯基硅树
脂对酚醛环氧树脂进行改性,硼酚醛树脂与自制固化促进剂作为固化剂,辅以纳米蒙脱土、绢云母粉作为填料,制备出一种能在300℃条件下长期使用的双组分耐高温环氧胶黏剂。
吉林化工学院关昶
[14]
等人以苯酚、甲醛、丙烯
酸为原料,经羟甲基化,催化酯化合成了一种厌氧胶黏剂,该胶黏剂具有较高的耐热温度,较高的强度,性能稳定。该胶在螺栓锁固和蒸气管线漏点封堵的应用当中,均收到了良好的效果。
黑龙江省石油化学研究院冯征
[15]
等人用可溶
于丙酮的四马来酰亚胺对酚醛/丁腈耐高温胶进行改性,提高了胶黏剂300~400℃的剪切强度,并保持了较长的贮存期和原有的综合性能。可满足航空、航天及民用领域对胶黏剂的耐热要求,经实际使用,效果良好。
胜利油田严锦根
[16]
等人合成了F B 耐高温树脂
胶黏剂。在合成过程中先用含硼化合物与酚反应,然后再与甲醛反应,树脂分子由普通酚醛树脂通过C -C 键连接苯环转变为以B -O 键连接苯环,所以
其键能很强,故其耐热性能高于普通酚醛树脂。然后再将此高温树脂胶黏剂与石英砂等充分混合制成耐高温树脂涂层砂。耐高温树脂涂层砂能耐高温,固结强度高适用于注蒸气开采的稠油油井防砂。1.3 有机硅胶黏剂
有机硅胶黏剂可分为硅树脂胶黏剂和硅橡胶胶黏剂。有机硅树脂是以聚有机硅氧烷及其改性体为主要原料的一类耐高温胶黏剂,其聚合物分子以Si -O 键为主链,有机基团为侧链,因而兼具无机和有
机材料特点,可在很宽的温度范围内保持理化性能不变,主要用于胶接金属和耐热的非金属材料;而硅橡胶胶黏剂则主要用于胶接耐热橡胶、橡胶与金属以及其它非金属材料。
北京航空材料研究院郑诗建
[17]
等人采用向硅
橡胶中加入乙烯基三特丁基过氧化硅烷和金属氧化物等混合配成胶黏剂,这种方法可提高胶黏剂的粘接强度和耐热性,解决了硅橡胶和金属粘接的技术困难,粘接件在室温下的粘接扯离强度达2.5MPa
以上,在300℃下的粘接扯离强度达0.83~1.
45MPa,最高使用温度可达350℃。
深圳市莱恩科技有限公司通过努力,研制出PT C 陶瓷片与金属铝散热片压合的双组份硅橡胶结
构胶黏剂JK -l8,胶黏剂的固化条件:在230℃/3h 。固化后的性能为:粘接强度2.0~2.5MPa,电绝缘
强度≥20MV /m 、有效操作时间8~12h (25℃),热老化率(1000h 通电热老化后的功率下降) 。 前苏联的BK -6为酚醛改性有机硅耐热胶。前苏联的BKT -2、BKT -3为聚酯改性有机硅胶,除固化温度较BK -6降低外,耐热性和粘接强度的下降幅度都较大。苏联的BK -20、BK -20M 为聚氨酯改性有机硅耐热胶。有机硅树脂与聚氨酯预聚体中的部分羟基可发生酯交换反应,制得一系列的聚氨酯改性有机硅树脂。其固化温度较低,且耐热性得到了提高 [19] 。 美国的Gen Electric 公司出品的硅橡胶密封胶RT V -102室温固化24h,使用温度为150℃。英国 的RTv -106和RTv -108有机硅胶黏剂可在350℃下长期工作,用于粘接电真空仪器外壳 [20] 。 1.4 聚酰亚胺类胶黏剂 聚酰亚胺是指大分子主链中含有酰亚胺基的高聚物,具有突出的热稳定性和耐热老化性能,优异的高温力学性能、电性能、耐化学介质性及耐辐射性能。 中国科学院化学研究所针对航空航天技术发展对耐高温粘接材料的需求,系统研究了聚酰亚胺的主链结构、封端基团、相对分子质量、固化条件等对胶黏剂的粘接性能、耐热性能以及工艺性能的影响规律。在此基础上开发了KHP I A 系列耐高温聚酰亚胺胶黏剂。该系列聚酰亚胺胶黏剂具有高固含量、低黏度的特点,其预聚物具有良好的熔体流动性,有利于树脂对粘接表面形成良好的润湿。树脂 固化物的Tg 超过300℃,起始热分解温度大于550℃。不锈钢材料单搭接剪切实验表明,该系列胶 黏剂的室温剪切强度在15~25MPa,280℃下的剪切强度超过14MPa,316℃下的剪切强度仍高达10MPa,具有优异的高温粘接性能,可以满足先进航 空航天飞行器的制造对耐高温胶黏剂的需求 [21] 。 上海宋崇健 [22] 等人研制了一种氰酸酯改性双 马来酰亚胺耐高温胶黏剂,氰酸酯与双马来酰亚胺 在高温下共聚得到双马来酰亚胺-三嗪树脂(BT 树 1975年,美国NAS A-Langley研究中心开始了先进空间运载系统(CASTS)复合材料计划,目标是使航天飞机应用中的碳纤维/聚酰亚胺复合材料的使用温度提高到316℃,由此产生的问题就是在如机体副翼等复杂部位的成型过程中需要与之配套的耐高温胶黏剂,且可以在316℃下使用125h以上。于是LARC-13胶黏剂应运而生。该胶黏剂是以降冰片烯酸酐(NA)为封端剂与3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐(BT DA)和3,3’-二氨基二苯甲烷(3,3’-MDA)反应制备得到设计相对分子质量为1300的酰亚胺预聚体。该预聚体的流动温度较低为160~250℃,固化温度为329℃,固化压力0.35MPa,并在343℃后固化。LARC-13虽然具有优良的粘接性能,但韧性较差,因此剥离强度较低[23]。 之后波音公司在NAS A的技术支持下开展了LARC-13胶黏剂的改性工作。改性方法之一就是改变树脂的化学结构。H ill[24]等将LARC-13中的3,3’-MDA部分地换成了间苯二胺(m-P DA)或2,4-双(对氨基苯甲基)苯胺(BP ABA)。改性的另一方法就是将主体树脂与其他树脂如聚酰胺一酰亚胺树脂共混。结果表明,将3,3’-MDA用m-P DA 部分替换后性能比LARC-13改进不大,但树脂更易于加工;与A I-1130L树脂共混后制备的胶黏剂高温性能有较大提高。 1.5 聚氨酯类胶黏剂 聚氨酯胶黏剂具有耐低温性、透明性和高粘接性,但通用型聚氨酯胶黏剂的耐水性和耐高温性能较差,了其在很多场合的应用。 北京市化学工业研究院庄严[25]等人通过引入高耐热性和耐水解性的结构单元,提高分子的软化点,使用碳化二胺(PCD)和一种新型耐水解剂AH,改善胶黏剂的水解稳定性。合理控制中间体的指标等手段,来提高聚氨酯胶黏剂的耐湿热性能。该胶黏剂可耐135℃高温蒸煮。用其制作的复合包装袋(PET/A l/CPP)内装辣椒酱、食醋时,在135℃蒸煮40m in,包装袋完整,无脱层现象。 大连理工大学卢冶[26]等人合成一类新型的含杂萘类联苯结构的聚氨酯胶黏剂。常温剪切强度不低于20MPa,而且具有较强的耐酸、耐水解性能。新型的聚氨酯胶黏剂具有较高的玻璃化转变温度 (Tg=170~200℃),在氮气氛围中10%热失重温度为300℃,250℃无失重。该胶黏剂可在较高温度下使用。 俄罗斯科学家用卡硼烷对聚氨酯进行改性,获得了意想不到的效果。他们制得了最高使用温度为500~800℃,用于钢、钛合金、黄铜和玻璃钢胶接的BK-20胶黏剂;最高使用温度800~1000℃,用于钢、钛合金、黄铜和玻璃钢胶接的BK-20M胶黏剂[9]。 1.6 氰酸酯胶黏剂 氰酸酯是指含2个或2个以上-O-CN基的二元或多元酚的衍生物。氰酸酯胶黏剂具有优异的介电性能,适用于电子工业线路板的粘接与封装;氰酸酯胶黏剂能与金属表面的羟基等基团形成化学键,因而对金属具有极好的粘接性;在固化过程中无小分子产生,可在低压和较低温度下固化成型。与环氧胶黏剂相比,氰酸酯胶黏剂在高温下使用不出现湿气或热降解,具有更高的耐热性、更好的介电性能、极小的吸湿性和良好的尺寸稳定性,是一类综合性能优异的耐高温胶黏剂。氰酸酯树脂作为胶黏剂可用在许多对胶黏剂性能要求很高的场合,例如航空夹层结构的粘接。氰酸酯树脂胶黏剂在金属粘接、微电子工业、腐蚀环境粘接及航空航天工业具有广阔的应用前景。其缺点是生产成本相对较高。 Boyd[27]等的专利中介绍了用于雷达天线制造和修理的胶黏剂,该胶黏剂是由氰酸酯树脂、双马来酰亚胺、环氧树脂及有机锡类固化促进剂所组成。 E mori[28]等的专利中介绍了一种各向异性的导电胶黏剂薄膜。其组分包括氰酸酯、环氧树脂、有机金属催化剂、导电颗粒和用于成膜的热塑性树脂。Pokomy[29]将环氧树脂加入到氰酸酯中以提高其对聚酰亚胺膜的粘接性能,并用聚醚多元醇对体系进行增韧。 Gor odisher[30]等以专利形式报道的氰酸酯胶黏剂是一种强耐热且柔韧的新型胶黏剂。一般氰酸酯与环氧树脂共混得到的胶黏剂不具备互穿网络结构。该胶黏剂最显著的特点就是形成了互穿网络结构。胶黏剂的组成包括氰酸酯树脂、脂环环氧树脂、多元醇及布氏酸(引发剂)。布氏酸是能提供质子的路易斯酸,它是形成互穿网络结构的关键。它使环氧树脂先聚合,氰酸酯树脂后聚合,两者的活化温度至少差20℃,避免了两者之间的反应,因此形成了互穿。该胶黏剂能在300℃下至少稳定1h。 1.7 P B I及P Q胶黏剂[19] 聚苯并咪唑(P B I)胶的优点是耐水、耐油,可在253~260℃长期使用,在539℃短期使用;缺点是固化温度高、固化时析出低分子物、热氧化稳定性差、价格昂贵等,因而许多人认为它是没有发展前途的耐热胶品种。 聚喹噁啉(P Q)胶的耐热性虽好,但其加工工艺条件苛刻,价格太贵,显然也是难以接受的。 2 结 语 近年来,随着耐高温有机胶黏剂的应用越来越广泛,对其性能的要求也愈加苛刻。尽管耐高温胶黏剂新产品、新用途不断被报道,但限于胶黏剂本身固有的缺陷,其性能很难有根本上的突破,这在很大程度上了其在更多领域内的应用。耐高温有机胶黏剂今后的发展趋势将体现在以下几个方面: (1)开发新型的有机耐高温树脂,制备出耐高温、力学性能好及高耐久性的胶黏剂。 (2)对现有的耐高温胶黏剂进行改性,提高其综合性能,扩大其应用范围。 (3)研制和开发适用于耐高温胶黏剂的新型固化添加剂。 (4)研究和开发兼具无机胶黏剂和有机胶黏剂优点的复合型胶黏剂。 (5)利用纳米材料等新型材料的特殊性能制备出高性能和新功能的复合胶黏剂,以满足航空、航天、兵器、电子、汽车和能源等高新技术领域发展的需要。 参考文献: [1] 刘鹏.HT-160环氧胶粘剂的性能及在耐高温陶瓷粘接中的 应用[J].粘接,2002,23(6):23~24. 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