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纳米材料在密封胶粘剂改性中的研究与应用


纳米材料在密封胶粘剂改性中的研究与应用
来源:密封论坛(club.sealing.cn) 随着科学技术的不断发展,人们对胶粘剂的要求越来越高,特别是在强度、韧性及耐热性等 方面,对胶粘剂的改性研究提出了更高的要求。胶粘剂改性的最初目的只 是为了增量,以 降低成本, 如今则主要是为了提高其力学性能和功能性。 填充物改性是聚合物改性的主要手 段之一,有关研究表明,在胶粘剂中加入无机 填料可以提高其粘接强度、压缩强度、抗冲 击强度和耐热性,并可以改善其热膨胀系数和固化收缩率等性能。 几十年来,人们通过各种途径对胶粘剂的强度、韧性和耐热性等方面进行改性研究,但很难 达到三者兼顾。纳米材料的出现则为同时实现多项性能的共同改善提供了 可能。由于结构 上的特殊性,纳米材料出现了一系列新的效应(如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及 宏观量子隧道效应等)这就决定了纳米材料具有许多与 传统材料不同的独特性能, , 其电学、 热学、磁学、光学及化学性能等都得到优化,因而具有广阔的应用前景。 1.纳米材料在胶粘剂中的分散方法 由于纳米材料在基质中的分散程度会直接影响改性材料的性能。 因此, 人们研究了许多不同 的方法以确保纳米颗粒在基质中能够均匀分散,主要有共混法、插层复合 法和溶胶-凝胶法 (sol-gel)等,其中共混法为物理分散法,具有操作简单、不会引起基质发生化学变化;其 它方法在分散过程中都涉及材料的化学反应。 在物理分散法中, 如果溶剂中溶解度很低再加上 CNTs 间较强的范德华力就会形成团聚或缠 绕, 故其应用受到严重影响因此, 必需事先对 CNTs 进行表面处理。 根据表面改性剂与 CNTs 表面间的作用方式,可将 CNTs 的表面改性方法分为两类:一类是表面吸附包裹改性,另一 类是表面化学改性。前者为物理改 性,主要是通过 CNTs 表面吸附一层高分子物质来达到 目的; 由于该高分子物质不但减弱了 CNTs 间的范德华力, 而且还产生了新的空间位阻斥力, 从而使 CNTs 很难发生团聚。与物理吸附相比,CNTs 的化学改性(包括表面活性剂改性、 表面接枝聚合改性及表面氧化改性三类)则颇受关注。Cui[16]等研 究了表面活性剂对 MWNTs 分散效果的影响,发现 MWNTs 在 Tergitol 表面活性剂的溶液中可以达到比较好的 分散效果。 2.CNTs/胶粘剂复合材料的制备 对于 CNTs/胶粘剂复合材料的制备方法,常用的有熔融共混法、溶液共混法和原位聚合等, 其中溶液共混法只适用于一些可溶于常规溶剂的聚合物。然而,由于 CNTs 结构的完整性 而不溶于任何溶剂,故可通过对 CNTs 表面进行化学改性来解决其溶解性或分散性。原位聚 合法虽可改善 CNTs 在基体中的分散且仍保持 其纳米特性,但聚合时影响因素较多(如温 度、pH 值和杂质含量等) ,故原位聚合法的应用受到限制。 等采用 MWNTs 对聚酰亚胺 (PI) 进行改性研究。 研究结果表明, 随着 MWNTs 含量的增加, 薄膜的弹性模量与强度增大,而断裂伸长率 和断裂能则随之呈先增后降的趋势;在 PI 胶粘 剂薄膜中,胶接接头处的搭接剪切强度、断裂能在 MWNTs 含量较低时都可以得到改善;另 外,与纯 PI 薄膜相 比,MWNTs/PI 复合薄膜的搭接剪切强度保持率得到一定程度的加强 采用 CNTs 复合材料制备导电胶由于 CNTs 的独特性能,故其在胶粘剂的增强、增韧改性方 面具有良好的应用;另外,即使添加极少量的 CNTs,也会增强胶粘剂的导电性能,故其在 导电胶的制备方面也得到广泛应用。

导电粒子可分为单体导电粒子和复合导电粒子, 传统的导电胶中通常采用单体导电粒子, 如 银粉、镍粉、金粉或铜粉等。其中金粉和银粉价格昂贵,并且纯粹的银粉 在直流电场和湿 气条件下会产生银迁移现象;而镍粉和铜粉相对于银粉而言,其导电性能要差些,并且在空 气中容易缓慢氧化,从而降低了导电性能。基于 上述原因,人们开始研究一些新型导电胶, 即基于复合导电粒子的导电胶。 采用化学镀银法在 CNTs 表面包覆金属银,从而获得了导电性能极好的纳米银/碳复合管, 并以该复合管为导电功能体制备导电胶。研究结果表 明,所得纳米导电胶的导电性、理化 性能均较好,且比传统的银粉导电胶节省银粉30%~55%(质量分数) ,从而显著降低了导 电胶的成本,同时导电胶的理化 性能得到明显提高。 4.纳米木粉 科学研究者的研究方向必须与国家资源、 环境保护等实际情况相结合, 纳米木粉的出现为纳 米复合材料开辟了新的领域。 将纳米木粉用于改性胶粘剂中, 完全符合近几年来国际上倡导 的“生态环境材料”理念,是一种与资源、环境相协调的生态环境材料。 木材和其它材料一样,在加工成纳微米尺寸后,材料的特异性质、尺寸效应及其变化机理都 可能发生变化,而纳米木粉的尺寸小于木材的细胞直径,因此,纳米木粉 是在木材细胞和 显微结构水平下的改性技术, 可能使木材改性出现突破性进展。 利用纳米木粉对胶粘剂进行 改性,关键是提高基体与纳米木粉间的相容性。 由于木粉表面所具有的极性和由此产生的 分子间氢键的存在, 会阻碍亲水的纳米木粉和基体之间的分散性和相容性, 进而影响其宏观 性能。因此,必需对木粉进行改 性,以消除或降低其表面极性化程度,提高复合材料的综 合性能。纳米木粉表面具有较高的极性,其表面改性主要是通过对极性官能团进行酯化、醚 化和接 枝共聚等处理,使其生成疏水的、非极性化学官能团,并具有流动性,从而使纳米 木粉表面与基体表面的溶解度相似, 以降低基体与纳米木粉表面间的相斥性, 达到提高界面 粘接强度的目的。 由于纳米木粉的天然特性,其应用前景和工业化前景良好。与传统的木材用脲醛(UF)树 脂胶粘剂相比,纳米木粉胶粘剂具有成本较低、环保效果较好等 特点,并且其投资金额和 生产成本基本不变,故其市场竞争力强于传统胶粘剂。因此,纳米木粉胶粘剂可以替代 UF 树脂木材胶粘剂,并且其性能、环保性和外观都 与木材基本相似。由于纳米木粉胶粘剂降 低了原料成本,并可用国产设备代替进口设备,相对减少了辅助原料的费用,从而提高了胶 粘剂的产品利润率。 采用纳米木 粉生产的无污染胶粘剂可代替含甲醛的有毒胶粘剂, 因此, 胶粘剂的绿色革命可能从木材的纳微米化技术开始。 结语 目前,有关无机纳米材料在胶粘剂改性中的应用研究较多,并且大多建立在增强、增韧和耐 高温等基础上。除了文中所提及的几种纳米材料外,晶须、纳米 Al2O3以及其它一些纳米 复合材料对胶粘剂的改性应用也越来越多; 具有特定功能的胶粘剂发展迅速, 如为了满足航 天航空、微电子等高新技术的发展需求,对 耐高温胶粘剂的要求也越来越高,晶须填料的 加入,可在提高胶粘剂玻璃化温度和耐热性能的同时,改善体系的力学性能。另外,在胶粘 剂改性过程中发现,单一纳 米填料在胶粘剂性能改进方面存在着局限性,为了使胶粘剂的 多项性能同时得到改善, 可将多种纳米材料作为混合填料同时加入, 几种填料的协同作用则 可以优势互 补,充分发挥纳米材料各自的优异性能,从而使胶粘剂的综合性能更好。随着 人们环保理念的日益增强,高固含量、无溶剂、水性、光固化和环境友好等特性也日益 受 到人们的重视,高性能环保型胶粘剂正逐渐成为主流产品,将会得到更多、更快的发展.


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