加载中…环氧胶粘剂配方中的溶剂选择
(2013-08-03 11:08:44)
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溶剂(solvent)和稀释剂(diluent)是用于降低环氧体系的粘度，使树脂和其他组份更好地混合，或者使胶粘剂更好地应用于基材表面。溶剂和稀释剂都是小分量物质，它们在化学和物理学角度均可以和环氧树脂及其固化剂相容。它们的主要区别在于蒸气压。
溶剂的蒸气压相对较高，在特定的环境条件下将会挥发掉。有些溶剂在常温常压下可以迅速挥发，而其他一些溶剂可能需要高温和低于常压下才会挥发。
稀释剂的蒸气压很低，一般在常温下不会挥发。环氧配方体系中添加稀释剂的主要作用，是降低粘度，改善树脂与填料的混合，增加填料添加量，或者改善应用性能。活性和非活性环氧稀释剂已经在SpecialChem的之前一篇文章中讨论过。
本文的重点是讨论在环氧胶粘剂配方中常用的溶剂。环氧胶粘剂配方中需要各种具有不同蒸气压范围，溶解强度和分散能力的溶剂。这些不同要求是由于（1）环氧树脂、固化剂、可使用的有机添加剂种类繁多（2）将环氧应用于基材的方法各异（刷，喷，镘，等等）。
选择溶剂时，需要考虑到其对该树脂的溶解度，以及最终产品所要求的粘度，干燥时间以及润湿效果。所有这些性能都会影响到胶粘剂产品的应用性能和粘接效果。
溶剂的作用（Function of Solvents）
溶剂是用来暂时降低环氧体系的粘度，使其配方中的树脂分子具有更大的可移动性。使用溶剂，主要是由于以下的一个或多个原因：
- 帮助配方制作时树脂体系的分散，混合和润湿。
- 降低胶粘剂体系的粘度，使各种组份易于混合，以及使用阶段的更好地分散。
- 将固体树脂或固化剂液态化，以便其能够在支撑载体上（supporting carrier）使用，或者在基底上干燥成膜。
胶粘剂配方中的溶剂，一般需要溶解不止一种组份（如树脂，固化剂，聚合物添加剂等）。通常需要通过混合不同的溶剂，来达到所要求的溶解度或者满足某种工艺条件（比如干燥时间）。合成树脂及弹性体中所使用的溶剂通常都是有机物，一般都需要混合的溶剂才能达到所需要的性能。极性树脂要求极性溶剂，非极性树脂需要非极性溶剂。溶剂型的胶粘剂通常固含在10-30%，粘度随着具体应用的不同，在1000-30000cps之间变化。
环氧胶粘剂体系中，溶剂一般是用来降低体系粘度，以满足应用的工艺条件。当胶粘剂被用于基材表面后，溶剂会在固化反应之前挥发。否则，在粘接面间就会产生气泡或者汽囊，造成环氧和基材间粘接力的降低。胶粘剂配方中所用溶剂，不能对所施工的基材产生腐蚀或其他不良效果。塑料、弹性体、聚合物泡沫等对环氧胶体系中的某些溶剂尤其敏感。做配方前，需要测试所用溶剂对基材是否会造成腐蚀，降解等不良影响。
在一些水溶性树脂中有时会用水作为溶剂。有些胶粘剂也可以水性乳液或乳胶形态使用。在1970年代早期的石油危机期间，水性胶粘剂也一度被认为是溶剂型胶粘剂的可能替代品。但是，水性胶粘剂永远都无法满足溶剂型胶粘剂所能达到的苛刻要求，因为去除粘接面水分耗时长，耗能大，以及在烘箱中干燥的水分会造成腐蚀，以及固化后的水性胶粘剂耐潮性较差。水性环氧胶粘剂不再本文的探讨范围内，但是它们已经在SpecialChem之前的一篇文章中有过总结。
溶剂的种类（Types of Solvents）
环氧胶粘剂体系中的常用溶剂包括：丙酮（acetone）、甲乙酮（methyl ethyl ketone，MEK）、甲苯（toluene）、二甲苯（xylene）、乙二醇醚（glycol ethers）、醇类等。通常，溶剂的溶解效果随着分子量的增大而降低。Table 1.展示了50%质量分数的不同溶剂体系的双酚A环氧树脂（DGEBA）（分子量1000-3000）溶液的粘度数据。一些DGEBA树脂粘度vs.树脂含量的变化曲线如Figure 1.所示：
"真溶剂"可以对环氧树脂进行各种浓度的稀释而不会产生树脂沉淀。环氧树脂的真溶剂包括MEK、双丙酮醇（diacetone alcohol）、甲基环己酮（methylcyclohexanone）、大多数的乙二醇醚及其醋酸酯。丙酮不是一种真溶剂，它可以和高分子量DGEBA树脂配制40%的溶液，但却无法配制20%的溶液。芳香族溶剂如甲苯、二甲苯以及小分子量的醇，如异丙基（isopropyl）醇和正丁基醇（n-butyl alcohol），通常要和其他溶剂混合使用以提高溶解度。使用混合溶剂，通常是为了提供某一特定的挥发速度以及溶解度。这些混合溶剂一般由易挥发和慢挥发溶剂组成。易挥发溶剂是基于一些低沸点的酮，如丙酮和甲乙酮。慢挥发溶剂是基于高沸点（低蒸气压）的化合物。
溶剂的选择（Choice of Solvent）
为某一个环氧胶粘剂配方选择溶剂或混合溶剂需要基于以下条件：
- 施工和使用方法（刷，喷，镘，等等）
- 环氧树脂的性能以及配方中的共聚树脂组份
- 溶剂和配方中的组份是否可能发生化学反应
- 最终产品所要求的粘度及固体份含量
- 基材表面对溶剂/混合溶剂的敏感性
由于有这些不同的标准，选择一种合适的溶剂以达到这种平衡也是一门艺术。溶剂选择不当，会造成很多问题，如固化胶层中的蒸汽截留，胶膜性能较差等。
有很多种不同的溶剂体系可以和环氧树脂配合。与分子量950的DGEBA树脂配合的一种典型的混合溶剂如下：
经使用后发现，上面这一混合溶剂体系，具有很好的流动性和流平性，挥发速度也刚好合适。通过溶剂的合适配比，可以在降低体系粘度的同时，维持一定的固含要求。例如，一个典型配方中含有70%的DGEBA树脂和30%的混合溶剂“A”（如下），其粘度为5000cps，适用于刷涂工艺；而同样的树脂含量，使用混合溶剂“B”，粘度变为2400cps，适用于喷涂工艺。
即便选择合适的溶剂搭配，使用易挥发性溶剂，也容易造成部分溶剂包裹在固化后的树脂中，除非在高温下进行后固化，以便使溶剂全部挥发。例如，DGEBA和胺在经过9天的常温固化后的胶膜，仍有MEK的残留。
不同溶剂类型对环氧固化反应的影响效果已经有很明确的定义和区分。含羟基化合物，如醇类，对固化反应有促进效果，是一种催化剂。但是，这类溶剂和胺类相比，和环氧基反应不具有竞争优势。水作为一种含羟基化合物，也可以促进固化反应，促进效果甚至比醇类更好。非质子溶剂，如芳香族碳氢化合物或者松香水（mineral spirits），对环氧-胺反应没有任何影响，仅仅是一种惰性溶剂。羰基类溶剂，如丙酮和甲乙酮，则会阻止固化反应的进行。
溶剂分子中羟基的促进会影响到适用期，渗透性，成膜性，粘接力及其他重要性能。Figure 2.显示了当使用丁醇（butanol）溶剂时，粘度的上升速度，比甲基异丁基酮（methyl isobutyl ketone）快很多。
溶剂使用中的注意事项（Caution in the Use of Solvents）
一些环氧树脂的通用溶剂有易燃的危害，容易造成健康隐患。环氧树脂溶剂和稀释剂的潜在危害在Table 2.中进行了总结。当胶粘剂中含有易燃溶剂时，在其储存、运输、使用中需要注意避免被引燃。并要求使用安全的容器和储存地点，工作区域需要良好的通风。
溶剂接触会造成皮肤干燥，这可能会进一步刺激皮肤，特别是和固化剂接触的时候。直接接触溶剂容易造成“脂肪流失”（de-fatting）以及皮肤的干燥，这增加了对皮肤刺激的可能性。有些溶剂可以直接通过皮肤被人体吸收，而当皮肤有擦伤或被刺激时，吸收会更多。
溶剂能够溶解环氧体系中的组分，并携带这些组分以液体的形式进入皮肤，或以蒸汽的形式进入人体的呼吸系统。吸入溶剂蒸汽容易造成呼吸道刺激和中枢神经疾病。
因为不同的溶剂在健康和安全方面具有不同的性能特点，所以在使用中你必须慎重挑选最合适的溶剂。溶剂的健康和安全须知可以参照供应商的MSDS（Material Safety Data Sheet）。
MSDS中会列出产品中所含的有毒化学成份，介绍其健康和安全危害，并给予使用、储存和废置的正确方法。MSDS同时包含易燃易爆、反应活性、急救，以及处理泄漏的程序。通常，安全法规要求，对所有含有有毒成分的产品，供应商必须有MSDS，在客户要求时则必须提供。MSDS也可以从生产商那里得到，现在很多产品的MSDS在网上就可以查到。
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本文译自：The Use of
Solvents in Epoxy Adhesive Formulations，by
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