涨知识丨超低温用UV丙烯酸酯胶：-196℃粘接粘度高达17MPa
日期：2021-08-24 15:25:49
点击：0
就在今年6月，三名中国宇航员首次进入了自己国家的太空空间站，举国欢腾。
不少人好奇，空间站的材料是怎么忍受太空中各种恶劣条件的？比如，能够在超低温环境下（液氮-196℃）使用的胶黏剂并不常见。
本文将要介绍一种由北京航空航天大学研究团队公开的一款UV固化丙烯酸酯胶黏剂，即使在液氮环境中，依旧可以保持17MPa。
这种胶黏剂的技术核心在于配方中使用了一种特殊的高性能热塑性树脂——酚酞基聚芳醚酮(PEKC)。
研究者在UV光固化丙烯酸酯胶黏剂体系中，分别加入1,2,3,4%的PEKC（其它原材料份数保持不变），各配方在液氮温度下对铝-玻璃搭接基材的粘接力如下图所示：
由上图可见，随着PEKC含量从0增加到4%，胶黏剂的剪切强度逐步提高，当PEKC含量为3%时，在液氮下的粘接强度达到最大值17.23MPa，充分表明了PEKC可以有效提高UV固化丙烯酸酯胶黏剂在超低温下的粘接性能。
研究者认为，纯粹的UV丙烯酸酯胶黏剂体系脆性较大，在超低温下，收缩严重，极易与被粘接基材发生脱粘现象，从而导致较低的粘接力。若体系中加入适量的PEKC，则能构成热塑/热固共混树脂体系，诱导成核-增长相分离机制的形成，造成“海（富热固相）/岛(富热塑相)结构。”岛“的存在会引发次级裂纹，从而体系抵抗裂纹扩展的能力增强。
另一方面，PEKC的加入可以降低丙烯酸酯体系的固化收缩率和热膨胀系数，有效降低丙烯酸酯体系的收缩内应力，从而提高UV丙烯酸酯胶在液氮温度下的粘接能力。
为了验证以上设想，研究者测试了PEKC不同含量下的体收缩率和线收缩率，如下所示：
如上图所示，没有加入PEKC的UV丙烯酸酯胶黏剂体系的体收缩率为25.61、线收缩率为1.78%。加入PEKC后，两者收缩率相应下降；PEKC含量越高，体系的收缩率越小；当PEKC为4%时，胶黏剂的体收缩率和线收缩率分别下降到6.24%和0.41%，两者均下降了将近4倍。
研究者认为”UV固化树脂体系的体积收缩主要原因在于固化过程中聚合反应带来的原子间距离的变化，PEKC本身不会参与到固化交联反应中，可以降低丙烯酸酯体系中官能度含量，从而可以降低收缩率；另一方面，固化过程中丙烯酸酯固化物可能会与PEKC发生相分离，可以部分抵消固化导致的体积收缩，有望进一步降低丙烯酸酯体系的内应力。“
另外，PEKC/丙烯酸酯胶黏剂的热膨胀系数如下表所示：
随着PEKC含量从0增加到4%，线性膨胀系数则从6.71下降到5.29。常见材料的线性热膨胀系数分别是：铝合金2.32x10-5/℃，铜为1.75x10-5/℃，玻璃为1.15x10-5/℃。
胶黏剂的热膨胀系数越接近被粘材料的膨胀系数，胶/基材界面在不同温度下的接触效果越好，所以PEKC的加入降低了体系的膨胀系数，从而提高了其在超低温下的粘接效果。
总的来说，PEKC的加入可以有效降低UV固化丙烯酸酯树脂胶黏剂的热膨胀系数和收缩率，促使其在液氮温度下依旧能保持17MPa的粘接剪切强度（铝/玻璃）。
参考文献：
张灏,超低温用紫外光快速固化丙烯酸酯树脂体系的制备及性能，复合材料学报，2018，35(11): 2935-2941
