纳米二氧化硅 改性PVA 胶粘剂的研 纳米二氧化硅改性PVA 胶粘剂的研究2010-06-2217:26 纳米二氧化硅改性PVA 胶粘剂的研究 胶粘剂纳米SiO2粉体广西大学化工学院广西南宁53004) 摘要采用聚乙稀醇(PVA 为基料,用纳米二氧化硅对其进行改性,制备出了成 本低、无毒、水溶性的乒乓球拍粘胶剂.通过检测表明,粘胶剂对海面与胶皮、 木材也有很好的粘接效果,粘成的乒乓球拍有很好的弹性. 粘胶剂纳米二氧化硅聚乙稀醇 中图分类号TQ43 文献标识码A 文章编号1812-1918(2005)06-0019-040 粘胶剂大体可分为有机和无机粘胶剂两大类.近年来,由于对环境保护要求逐步提高,胶粘剂也向环保和节约能源等方向发展.对此,国际乒联(ITTF)理事会 明确提出,2006 日开始,现在使用的、含有有机溶剂的乒乓球胶水将被彻底禁用. 目前,许多研究机构都开始重视无毒无机胶水的研究,但是无机胶水通常不 仅粘接性能和施涂性能不尽人意,而且填入乒乓球拍胶层中会降低乒乓球拍的弹 性,因此给这课题研究带来了一定难度,相关的资料少见报道.征对新型无毒无机 胶水的研制,文章研究了以低价常用的工业PVA 作为胶粘剂的粘料,用纳米SiO2 进行改性,提高其煎切强度、粘结性能和粘度,而且用这种胶粘剂粘贴的乒乓球 拍既粘得牢固又容易更换胶皮,具有一定的弹性. 实验部分1.1 实验原料 PVA 型号24-99,工业级,广西维尼龙集团公司生产. 纳米SiO2:安徽科纳新材料有限公司 三鼎牌乒乓球专业有机胶水北京三鼎体育有限责任公司生产原产地为比利 1.2实验仪器 CS501 型超级恒温器,重庆实验设备厂制造.乒乓球胶皮和海绵是天津大维 体育用品有限责任公司生产.XRD 分析用日本理学RegaKuD/max2500v 射线衍射仪(CuKa=1.5418A).乒乓球弹性是用弹性测试仪测出.用日本理学TEM- 1200EX/S 型投射电子显微镜测纳米SiO2 粉体粒径.上海安德仪器设备有限公司 制造的NDJ-1 型旋转粘度计测量胶水的粘度.剪切强度用已效准的自制压力机测 1.3胶粘剂的制备 二氧化硅粉末于水中,用搅拌装置搅拌至均匀分布后加入一定量的PVA,然 后恒温搅拌至完全溶解. 1.4 粘结剂剪切强度的测定 将制得的粘结剂均匀涂抹在用砂纸打磨过的光滑的25mm25mm 两小木块表 面上,然后把两小木块叠在一起,错位5mm 并压出多余的粘结剂,放置24 小时后 用压力机测定其剪切强度. 1.5 粘结剂粘结的乒乓球拍弹性测定 将制得的粘结剂均匀涂在乒乓球拍的胶皮、海绵和木板上,粘好后将其压实, 放置24 小时,用标准弹性测量仪测定乒乓球拍的弹性. 1.6 纳米二氧化硅粉末特征 本实验用的纳米二氧化硅采用固相-共沸蒸馏反应法制得,所得固体为白色 轻质无定型粉末.颗粒近似球形,流动性极好,分散性也很好;粒径在35nm 左右, 约比传统凝胶法制出的粒境小一半;松散密度约0.05g/cm3,比表面积约 123cm2/g,纯度达到99%,.XRD 谱线为一个宽而强的衍射主峰(2θ =21),为无 定型物质;用IR 检测发现,由于正丁醇与二氧化硅凝胶共沸蒸馏,丁氧基取代 了凝胶中的羟基,纳米SiO2 不在含有水分;再用DTA 分析,这种纳米SiO2 100左右不在出现水分蒸发的吸热峰,这说明不存在水分,也就不会出现团聚现象,因而具备了纳米材料的优良的特性。 2.结果与讨论 2.1PVA 浓度对粘结剂剪切强度和粘度的影响 本实验是以PVA 为粘结剂的胶料,因而PVA 的浓度对粘结剂的剪切强度至 关重要。从图3 可以看出,随着PVA 的浓度的增大,粘结剂粘结剪切强度也随之 升高.本实验使用的PVA 溶解度约为15%;随着PVA 浓度的增大,胶粘剂的分子量 亦会变大,液层间相对流速减小,粘度也随之增大(图4)依照粘结基本原理的 Frit 方程 tanθ VS/γLV)n 为胶粘剂在被粘物表面扩展时动态接触角;η为胶粘剂的粘度;γ LV 是液气接触角的表面张力;VS 是速率;m 为常数。从上式中可以看出,粘度大时,造成胶粘剂施涂时动态接触角大,从、而 增加施工难度,所以应控制PVA 的浓度在105 左右为宜。用这种浓度的PVA 液制得的胶粘剂粘结强度要远远高于有机胶水,尤其对木材的粘结性能很好,剪切强度达到十几个兆帕。 2.2 纳米SiO2 粉体对粘结剂强度性能的影响 在10%PVA 的粘结剂中加入纳米SiO2 可以看出,随着加入纳米SiO2 粉体的量的增加,胶粘剂的剪切强度也明显的提高;纳米SiO2 加入量在0.0%-0.25范围,胶粘剂粘结剪切强度呈线形上升;而在0.2%-0.4%范 围略有下降,产生的原因可能是溶液中的纳米SiO2 粉末没有充分搅拌,分散不 均匀引起的;因为在后续的纳米SiO2 粉末加入量范围,胶粘剂粘结剪切强度还 是呈直线上升的。因此,在一定范围内纳米SiO2 粉体的加入量与胶粘剂剪切强 度的关系总趋势是线形递增的。这是因为纳米SiO2 粉体具有小尺寸效应的,粒 径小,表面积大,表面原子数增多,造成原子配位数不足而具有很大的表面能。 所以纳米SiO2 粉体是一种高活性的粒子,极不稳定,很容易与PVA 的分子结合, 形成高化学键能的分子。 根据粘结机理的机械互锁理论,粘结过程是胶粘剂在不平的被粘物表面形 成机械互锁力,在这种互锁力的作用下被粘物才粘合起来。机械互锁力的形成 是由胶粘剂图在被粘物后渗透入被粘物凸凹不平沟缝和空隙中,固化后这些胶 粘剂如小钩子似的把被粘物连接一起。这些小钩子实质上是胶粘剂分子形成的 膜,这种膜也是胶粘剂和被粘物界面发生化学键结合产物,由于SiO2 入,纳米SiO2粒子与PVA 的分子结合,增强了胶粘剂的分子化学键能,使形成 的膜更密实牢固,剪切强度提高。 但是,并不是加入SiO2 粉体的量越多越好,一方面是因为SiO2 粉体起到 了增稠和填料的作用,如加入量过多会破坏膜的结构,反而降低粘结强度;另一 方面是因为SiO2 粉体成本昂贵,所以SiO2 粉体不宜多加。根据图5,SiO2 体用量为0.2%左右为宜。