丙烯酸樹脂粘結(jié)劑的固化——流變學(xué)與紅外光譜聯(lián)用

你知道粘結(jié)劑是怎么從液態(tài)變成固態(tài)的嗎？傳統(tǒng)的方法只能告訴我們它變硬的速度，但卻不能告訴我們背后的化學(xué)變化。通過將流變儀和紅外光譜結(jié)合，能使我們在觀察粘結(jié)劑固化的同時，監(jiān)測背后的反應(yīng)機(jī)理，從而開發(fā)出更高效的產(chǎn)品。

粘結(jié)劑的開放時間、固化時間、粘合強(qiáng)度等是粘結(jié)劑產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的重要性能指標(biāo)，流變儀是表征這些性能參數(shù)的理想工具。

賽默飛哈克（HAAKE）推出的專利Rheonaut模塊可將流變儀與紅外光譜儀聯(lián)用，能在固化過程中檢測粘結(jié)劑流變性能變化的同時收集紅外光譜，跟蹤粘結(jié)劑化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，計算反應(yīng)動力學(xué)，有效提高產(chǎn)品分析和開發(fā)效率。

圖1：哈克MARS流變儀、Rheonaut模塊和傅里葉變換紅外光譜儀聯(lián)用裝置

通過HAAKE Rheowin軟件，同時控制流變儀和紅外光譜，對一種消費(fèi)級雙組分丙烯酸酯粘結(jié)劑進(jìn)行固化檢測。

最初丙烯酸酯主要表現(xiàn)為黏性，黏性模量G”大于彈性模量G’。隨著快速固化反應(yīng)，3.2分鐘后達(dá)到黏彈性模量的交點，即凝膠點（G' = G''）。在此之前，必須將兩個要粘合的基體連接并固定好。該點之后粘結(jié)劑主要表現(xiàn)為彈性，10分鐘后粘結(jié)劑達(dá)到最終強(qiáng)度。

圖2：丙烯酸酯粘結(jié)劑的流變曲線圖（點擊查看大圖）

聯(lián)用過程中每個流變數(shù)據(jù)可對應(yīng)一張紅外光譜。在流變學(xué)測試持續(xù)的25分鐘內(nèi)共收集了115張紅外光譜。把第一張光譜和最后一張光譜疊加（圖3）分析，1637 cm?¹處的信號是丙烯酸酯單體中C= C鍵的特征信號，其隨時間的減少說明了在固化反應(yīng)過程中單體的消耗。1241 cm?¹處的信號是固化過程中形成的聚丙烯酸酯中O=C-O-C酯鍵的特征信號。

圖3：第一張紅外光譜（藍(lán)色）和25分鐘后的最后一張紅外光譜（紅色）（點擊查看大圖）

賽默飛的OMNIC軟件可將連續(xù)采集的光譜按時間、波數(shù)、強(qiáng)度繪成三維圖（圖4），可更直觀分析反應(yīng)的進(jìn)程（圖7）。

圖4：三維圖，展示了樣品固化過程中收集的紅外光譜隨時間的變化（點擊查看大圖）

當(dāng)彈性模量在10分鐘后達(dá)到平衡時（圖5），由于單體在固化粘結(jié)劑中的流動性降低，單體的減少速度顯著減慢。酯鍵的增加速度也減慢了，但仍然是單體減少速度的兩倍。這表明與主導(dǎo)固化初始階段的游離單體反應(yīng)相比，分子內(nèi)過程在最終固化階段更為重要。

有了這些信息，就可理解固化過程為什么會這樣進(jìn)行。隨后，就可以有針對性地優(yōu)化粘結(jié)劑或設(shè)計全新的配方：例如選擇添加更多單體，還是提高溫度以增加現(xiàn)有單體的流動性。

圖5：樣品模量的增加（紅色和藍(lán)色）與單體信號的減少（綠色）和聚合物酯鍵信號的增加（黑色）相對應(yīng)（點擊查看大圖）