一种适宜篮球架专用的硅橡胶粘合剂制备及性能测试分析

赵永刚

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

判断篮球架质量重要指标之一就是篮球架结构部件之间的粘接性能。由于NBA联赛专用篮球架具有专业性、使用率较高的特征，需要结构部件粘接效果更强、更稳固。但是，当前市场中常见硅橡胶粘合剂较少含有反应性功能基团，不能与联赛专用篮球架的结构搭建产生较高适配性。因此，本文旨在通过在硅橡胶中加入含有环氧基团粘接材料，提高其粘接性能与力学性能。基于此，本文选择市场上常见的粘接材料与自制粘接材料，测试硅橡胶粘合剂所用剂型和用量对其生产性能的影响，并结合固化条件，对硅橡胶粘合剂最佳固化时间、温度进行测定，以此助推高粘接性能硅橡胶粘合剂及其他粘接材料的研发。

1 加成型硅橡胶及粘合剂研究

1.1 加成型硅橡胶

硅橡胶粘合剂按照固化及交联方式分类，可分为缩合型、加成型和自由基固化型。相比于其他2种硅橡胶粘合剂，加成型硅橡胶粘合剂具有不释放低分子副产物、固化产物尺寸稳定、固化条件易控制、转化率高等优势。为提高硅橡胶粘合剂的粘接性能，目前主要采取3种方法：(1)针对硅橡胶粘合剂表面采用物理方法进行处理；(2)引用功能活性基体；(3)提高硅橡胶粘合剂的粘接性能，进而添加粘合剂。

为有效提高硅橡胶粘合剂的粘接能力，改进基材进行底漆预处理或者改进聚硅氧烷的分子链体结构，在进行粘接过程中会增加底漆步骤的工作量。因此，导致越来越多的学者倾向于研究粘合剂来提高其粘接性能。环氧基、氢硅基等是用于加成型硅橡胶粘合剂含小分子化合物。运用其化合物与基材表面的硫化程度的强烈反应实现粘接力的提升，粘合剂与硅橡胶有良好的融合性，且不会影响到二者之间的性能。

1.2 一种代表性反应粘合剂

环氧树脂粘合剂，环氧树脂的主要构成元素为脂肪族、脂环族或芳香族烃，属于低聚合物。由于环氧树脂分子结构中存在大量的极性基团，粘接力度较高，对基材部分材料有良好的粘接性能；但被固化后的环氧树脂粘合剂尚存质量差、易开裂、冲击性能低等缺点。作为有机硅橡胶粘合剂以有机硅-氧键主链的聚合物为材料，再加入其他添加剂制作而成。有机硅橡胶粘合剂具有良好耐热性、耐低温性及耐候性，可保证篮球架专用的硅橡胶粘合剂材料适合长期户外使用。根据化学结构可将有机硅粘合剂划分为硅树脂粘合剂和硅橡胶粘合剂；而硅橡胶粘合剂属于高分子量橡胶材料，其分子质量远高于硅树脂粘合剂；这就使其固化后的材料更具弹性与机械强度，较适用于篮球架及此类金属的粘接项目中。

2 材料与方法

2.1 实验原料

甲基乙烯基硅橡胶生胶(乙烯基质量分数为0.04%)，济南兴隆达化工有限公司；-氨丙基三乙氧基硅烷(分析纯，KH550)，盼得(上海)国际贸易有限公司；-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(纯度99%，KH560)，南京轩浩新材料科技有限公司；-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(纯度99%，KH570)，曲阜市万达化工有限公司；3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷(纯度99%,KH910)，武汉拉那白医药化工有限公司；含环氧基有机硅增粘剂(E)(分析纯)，自制(硅氧烷与含环氧基的不饱和烃反应合成)。

2.2 实验仪器

实验室分析天平，奥淇科化医疗供应链管理服务(天津)有限公司；D-I型无机调速增力搅拌器，浙江赛德仪器设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，东莞市速航自动化设备有限公司WAW-300 kN电液伺服液压万能试验机，济南中创工业测试系统有限公司；AccuPycⅡ1340型密度测试仪，扬州艾科瑞德仪器仪表有限公司；数显测厚百分表，邢台德延科技有限公司；DSC-204-F1型差示扫描量热仪，武汉华泰科仪检测设备有限公司。

2.3 篮球架成型硅橡胶粘接剂试样制备

在基本配方的基础上加入不同种类的粘合剂，然后将胶料倒入一定尺寸的聚四氟乙烯模具中或将薄膜压成一定尺寸大小并在电恒温吹风干燥箱中加热固化；测试固化产物的相应性能。

2.4 测试与表征

根据GB/T 528—2009，将固化后的硅橡胶薄膜切割成标准距离为(20±0.5)mm的哑铃花键。测厚仪对花键进行厚度测量，并将其置于试验机中，设置其拉伸速率为5 mm/min，以此得到硅橡胶的拉伸强度和断裂伸长率。

2.5 性能测试

试用硫化橡胶小样夹在2块平行的金属板中间，成为搭接结构，在有粘合剂那一面的小样进行拉伸剪切力度，测量硫化后硅橡胶与金属粘接的拉伸剪切强度。

小样制备。切割成10 mm×25 mm的长方形金属板，小样在金属板上平整，不能出现变形状态，各个边缘保持直角。按照一定比例进行制备，试样硫化橡胶样品在简单的热材成型系统中压制成1 mm的薄膜，再用切割模具切成10 mm×25 mm的长方形；然后取下离型膜的一侧贴在铝合金试件的表面，取下离型膜的另一侧，与另一试件搭接，形成一个用于伸展的搭接关节。搭接样品用夹子固定，放入烘箱中固定温度进行固化。完成固化后，在规定的实验温度下放置设定的时间，再进行拉伸剪切强度测量。硫化硅橡胶与金属结合的拉伸剪切强度()的计算公式：

式中：为小样试品破损时的负荷，N；为搭接表面的长度，25 mm；为搭接面的宽度，10 mm。

3 结果与分析

3.1 粘合剂对篮球架硅橡胶力学性能影响

影响粘接强度的主要因素在于粘合剂的机械性能。对高分子粘合剂来说，有较高的机械性能可防止粘合剂在进行切割和拉伸中发生失效可能性。为提高粘合剂的粘接强度，用不同粘合剂硫化后的力学性能测试结果，具体如表1所示；其中粘合剂添加量的质量分数为2.0%。

表1 不同粘接材料对篮球架硅橡胶粘合剂力学性能影响Tab.1 Influence of different bonding materials on mechanical properties of silicone rubber for basketball rack

由表1可知，加入不同粘合剂，拉伸强度均表现出不同程度地增加，这表明无机填料可在一定程度上改善气相二氧化硅分散在硅橡胶基体中与基体有效结合。当粘合剂不增加时，气态二氧化硅会结块，导致不能与硅橡胶基体紧密结合。另外，加入KH570粘合剂，其拉伸强度明显得到提高，这表明KH570中含有碳双键添加的硅橡胶的氢加成硫化过程，因此提高了其粘接的密度，分子链接数量随之增加，能够使其获得更大的拉伸力，使得表面出现更高的拉伸强度。

3.2 不同类型粘合剂篮球架硅橡胶粘接性能分析

为了获得更好的硅橡胶粘接性能，分别研究了单一粘合剂和复合粘合剂对硅橡胶粘合剂粘接性能的影响。单一粘合剂用量质量分数为2.0%；复合粘合剂总量质量分数为2.0%。不同类型粘合剂对硅橡胶粘合剂剪切强度的影响，结果如图1所示。

由图1可知，加入粘合剂后硅橡胶粘合剂的粘接性能提高很大，其中使用KH560与含有环氧有机硅粘合剂的剪切强度提高明显，二者之间的结构都含有环氧基团。由此可见，环氧基团针对硅橡胶与金属材料的结合起到极大作用。在复合粘合剂(C+G、B+C)中，使用了那些含有环氧基粘合剂的组分，硅橡胶本身的剪切强度有明显提高，这更加证实了粘合剂中环氧基与金属材料表面的强度相互之间可提高硅橡胶与金属材料的强度。

图1 不同类型粘合剂对硅橡胶粘合剂剪切强度的影响Fig.1 Shear strength of silicone rubber affected by different types of adhesives

3.3 篮球架硅橡胶力学性能分析

力学性能分析

增加的粘合剂含量越多，反之，拉伸强度增加并不明显。这是由于粘合剂提高二氧化硅在硅橡胶基体分布均匀下，其不会参与交联的过程，因此硅橡胶的拉伸强度不会有明显增加。表明含有环氧化物的粘合剂对硅橡胶的力学性能没有影响，具体结果如表2所示。

表2 含环氧基有机硅粘合剂质量分数对篮球专用硅橡胶力学性能影响Tab.2 Influence data of the content of epoxy silicone adhesive on mechanical properties of basketball silicone rubber

粘接性能

含环氧基有机硅粘合剂质量分数对硅橡胶粘合剂剪切强度的影响，结果如图2所示。

图2 硅橡胶剪切强度受含环氧基有机硅粘合剂含量的影响Fig.2 Shear strength of silicone rubber affected by the content of epoxy silicone adhesive

由图2可以看出，含环氧基粘合剂在硅橡胶中质量分数持续增加的过程中，硅橡胶剪切强度显著增加，特别是在其质量分数为2.0%之前，剪切强度增加明显；这是因为环氧树脂基材与金属表面的相互作用使剪切强度显著增加。当增加粘合剂用量，金属材料表面也会与环氧基团作用，但环氧基团含量增加对二者之间的作用力影响不明显，剪切强度的增加速度也会逐渐缓慢。

3.4 篮球架在不同固化条件下粘接性能

温度的影响

粘合剂以环氧有机硅为例，粘合剂质量分数为2.0%，分析固化温度与时间对硅橡胶粘合剂粘接性能的影响；结果如图3所示。

图3 硅橡胶剪切强度受硫化温度的影响Fig.3 Influence of curing temperature on shear strength of silicone rubber

由图3可知，在固化时间为30 min、温度设定为80 ℃时，剪切强度为0.87 MPa；此时，不仅环氧基与金属材料表面相互之间没有作用，且硅橡胶本身也没有交联强度，导致内聚强度较差。随着其温度的提高，硅橡胶的剪切强度逐渐增大，这是因环氧基团在强烈的高温下与金属表面形成相互交联的作用所致。当固化温度达150 ℃时，升高固化温度，剪切强度的增加不会出现太大变故，因此，固化温度以150 ℃较为适宜。

时间的影响

图4为硫化时间对硅橡胶粘合剂剪切强度的影响。

图4 硫化时间对硅橡胶粘合剂剪切强度的影响Fig.4 Influence of curing time on shear strength of silicone rubber

由图4可知，当硫化温度为150 ℃、固化时间为10 min时，硅橡胶粘合剂的剪切强度为1.04 MPa；当固化时间达30 min时，剪切强度提高到4.20 MPa，这是因环氧基与金属材料表面之间的相互交联作用，需要在较高温度下设定适合的时间。在不同固化时间10、30和60 min时，差示扫描量热(DSC)谱均未见明显放热峰；说明内聚强度没有增强，且二者之间完成交联反应。这表明剪切强度的增加会随着时间的推移，环氧基材与金属之间的相互交联作用就会越大。

4 结语

综上所述，加入粘合剂可提高硅橡胶的粘接性能，特别是含有环氧基的粘合剂作用更加明显。证明含有环氧基与金属表面的交联作用，可有效提高硅橡胶与金属之间的强度，同时篮球架硅橡胶粘合剂粘接强度在加入粘合剂时会提高内聚强度，并对粘接性能起到相互的作用。实验结果表明，粘合剂添加量过多，硅橡胶粘合剂的力学性能及剪切强度会随着粘合剂的用量增加；但添加量超过质量分数2.0%时，剪切强度的变化不会出现较大的明显变化。因此，粘合剂适宜的质量分数为2.0%，此时硅橡胶粘合剂的机械性能和粘接性能可达到最佳效果。在硫化温度升高与时间延长下，硅橡胶粘合剂的剪切强度也随之增加，粘接性能明显得到提高。在本实验条件下，固化温度与固化时间分别以150 ℃、60 min为宜。