短时间固化的胶粘剂在储存期间往往不稳定,而在储存期间稳定的胶粘剂往往固化缓慢。因此,加热或紫外线辐射通常被用来加速固化。然而,这两种方法都有一些局限性。例如,某些底物可能无法忍受在固化炉中延长的时间。同样,紫外线固化的明显缺点是,辐射必须能够到达组装的所有部件。

微波是固化胶粘剂的一种替代能源。和紫外线辐射一样,微波也是由电磁波组成的。然而,与紫外线辐射不同的是,微波是无线电波而不是光波。因此,没有微波不能到达的成分。而且,因为只有吸收微波能量的材料才能进行自加热,所以选择性加热是可能的。事实上,微波选择性加热使得固化粘合剂的同时通过外部方式冷却衬底的其他部分成为可能。

已有多项研究将微波辐射作为固化环氧胶粘剂的潜在热源。他们已经证明,用微波固化的胶粘剂的机械性能与通过传统加热方法固化的胶粘剂相似。事实上,微波固化粘合剂的速度比传统的加热方法快,转换的程度相当。

使用微波的另一个好处是可以将一种无关的材料加入到对微波反应良好的粘合剂中。例如,碳纳米管(CNTs)和活性炭粉与微波反应强烈。在一项研究中,将CNTs与Hexion Inc.的EPON 862环氧树脂混合,形成一种纳米复合材料。在商用微波炉中用2.45千兆赫(GHz)的微波固化混合物只需10分钟,而使用传统微波炉需要8小时。

微波甚至有可能使复合材料变得更强。例如,一项研究发现,与常规加热固化的复合材料相比,使用微波固化的复合材料的钻致分层减少,而I型层间断裂韧性增加了66%以上。

到目前为止,大多数关于环氧树脂微波固化的研究主要是用商业微波炉和工业多模涂布器进行的。用这样的装置来控制微波特性是很困难的,这就排除了对微波和固化过程中所涉及的物质之间相互作用的细节进行研究。换句话说,虽然微波固化胶粘剂是行之有效的,但不可能确定微波固化胶粘剂的原理。

我们想要改变这一点。我们的目标是研究使用2.45 ghz微波的环氧树脂的固化特性。我们使用了一种能够在固化过程中进行高精度微波辐射和精确温度测量的设备。该胶粘剂由三组分组成:通用性、粘性的环氧树脂双酚a二缩水甘油醚(BADGE)、邻苯二甲酸酐(PA)和2-乙基-4-甲基咪唑(EM)作为固化剂。固化剂和固化促进剂也具有通用性和贮存稳定性。

我们的目标有两方面:

  • 阐明微波加热固化的特点,确定微波固化的原料成分。
  • 演示是否可以利用微波的特性来克服与粘合剂有关的问题。

微波加热与传统加热

采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法对固化胶的质量进行了检测。我们的测试表明BADGE在微波加热10分钟后完全交联。相比之下,在炉中20分钟后没有发生完全的交联。来源:索菲亚大学

我们的第一个任务是比较我们的粘合剂在微波和电炉下固化的情况。

初次混合时,我们的环氧树脂是一种混浊的粘性液体。当它固化时,混合物变得透明,所以固化的程度很容易被观察到。

微波加热10分钟后,胶粘剂呈现淡黄色透明树脂。更详细地说,PA在微波辐照开始约5秒后开始变得透明。大约四分之一的PA在微波照射45到60秒后没有被观察到。70秒后,大部分PA消失,80秒后,固化完成。

粘接剂的加热从不发生在边缘。换句话说,加热过程似乎相对均匀。

在炉中固化是不同的。在炉中加热10分钟后,胶粘剂充分固化。然而,肉眼观察清楚显示,在中心附近存在未反应的PA。当混合物被放入熔炉时,从粘合剂表面迅速加热。胶粘剂的边缘在进入炉内30秒后似乎更固化。然而,在这之后,没有观察到进一步的变化。180秒后,表面似乎变硬了。但实际上,这种树脂并没有固化,用手指按压时很软。

总之,微波加热保证了胶粘剂组分反应均匀。炉内固化不均匀。由于胶粘剂的导热性很低,从炉中辐射出来的热量只固化了靠近热源的胶粘剂表面。表面以下不发生热固作用。相比之下,微波加热时,微波穿透到中心,造成均匀的热固性。此外,由于固化反应是放热过程,自热加速固化。

采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法对固化胶的质量进行了检测。我们的测试表明BADGE在微波加热10分钟后完全交联。相比之下,在炉中20分钟后没有发生完全的交联。

在固化之前,样品的初始温度为25℃。在20瓦的功率下,样品只需32秒就能达到140℃的温度。相比之下,常规加热需要81秒才能达到140℃。

利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)中菱形棱镜衰减全反射技术研究了微波加热固化后胶粘剂结构与常规加热固化后胶粘剂结构的差异。差示扫描量热法。结果没有观察到差异。

微波加热与传统加热

微波加热对每个成分(BADGE, PA和EM)和混合物的影响是通过将样品放置在石英管中,然后用微波的e场加热,同时观察温度变化来检测的。对于每个组分,温度升高的趋势是相似的。

微波辐照60秒后,EM的温升开始趋于平稳。在室温下,裸电磁是一种粘土型固体,在54℃以上时转变为液体。电磁熔点附近温升的下降表明微波加热的效率取决于物质的状态。在这方面,微波加热效率是由材料的介电特性决定的。

在微波辐照下,温度上升显著增强。因此,微波加热似乎促进了固化剂和增塑剂之间的化学反应。

为了进一步分离影响加热速率的因素,对PA和EM的混合物进行了微波加热。该混合物的微波加热速率高于BADGE、PA和EM混合物,且加热速率是PA和EM单独加热的3倍以上。

讨论胶粘剂的微波固化不能简单地以每种原料的微波加热效率为基础,因为加热似乎随固化反应的步骤而变化很大。

尽管胶黏剂的每一种成分对微波能吸收能力都有些差,但它们还是会引起微波加热。然而,由交联反应产生的中间体确实引起微波加热。而且,由于它们的带电性质,介质加热和焦耳加热并行产生热量。

编者按:以下人士也对本文作出了贡献:索菲娅大学的学生研究员Yuhei Arai和意大利帕维亚大学化学教授Nick Serpone博士。