Epoxidharzklebstoffe: Verstärkungsmodifikation und Formulierungen

Im Allgemeinen weisen Epoxidklebstoffe gute mechanische Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich ihrer Haftfestigkeit und mechanischen Festigkeit; um diese Eigenschaften in praktischen Anwendungen jedoch noch weiter zu verbessern, müssen die Klebstoffe verstärkt und modifiziert werden.

Verstärkung mit Spezial-Epoxidharzen

Spezielle Epoxidharze, wie AG-80, AFG-90, phenolische Epoxidharze, Bisphenol-F-Epoxidharze, Bisphenol-S-Epoxidharze sowie flüssigkristalline Epoxidharze wie TDE-85 und 731, weisen hervorragende Verstärkungseffekte auf – sowohl in reiner Form als auch in Kombination mit anderen Epoxidharzen. Insbesondere flüssigkristalline Epoxidharze sind thermohärtbare Flüssigkristallpolymere, deren Molekülstruktur leicht ausrichtbare mesomorphe Einheiten sowie reaktive Epoxidgruppen enthält. Sie vereinen die Eigenschaften geordneter Flüssigkristalle mit einer Netzwerkvernetzung; das gehärtete Produkt zeichnet sich durch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aus und findet daher wichtige Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, im militärischen Rüstungsbereich sowie in weiteren Bereichen.

Härteveränderung

Es gibt zahlreiche Verfahren zur Zähigkeitssteigerung von Epoxidklebstoffen, darunter die Modifizierung mit Kautschukelastomeren, thermoplastischen Harzen, interpenetrierenden Netzwerkstrukturen, der Einführung flexibler Ketten sowie der Verwendung von Nanopartikeln. Diese Methoden erhöhen die Zähigkeit des Klebstoffs und verbessern zugleich seine Haftfestigkeit.

Faserverstärkung

Whisker sind kurze Fasern im Mikro- bzw. Nanobereich, die aus hochreinen Einkristallen gezüchtet werden; ihre mechanische Festigkeit entspricht derjenigen, die durch die Kräfte zwischen benachbarten Atomen erzeugt wird. Die stark orientierte Struktur der Whisker verleiht ihnen hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und große Dehnbarkeit, wodurch sie zur Verstärkung von Epoxidharzen eingesetzt werden können. Whisker lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: organische Whisker und anorganische Whisker. Zu den organischen Whiskern zählen vor allem Zellulose-Whisker, Butylpolyacrylat-Styrol-Whisker, Poly(4-hydroxybenzoat)-Whisker (PHB-Whisker) sowie weitere Typen, die in Polymeren weit verbreitet sind. Anorganische Kristall-Whisker umfassen hauptsächlich keramische Kristall-Whisker (z. B. SiC, Kaliumtitanat, Aluminiumborat usw.), kristalline anorganische Salz-Whisker (z. B. Calciumsulfat, Calciumcarbonat usw.) sowie metallische Kristall-Whisker (z. B. Aluminiumoxid, Zinkoxid usw.).

Darüber hinaus können gehackte Fasern sowie Faserpulpe aus Glasfaser, Kohlenstofffaser, aromatischem Polyamidfasern, Edelstahlfasern, Basaltfasern und Mullitfasern zur Verstärkung von Epoxidklebstoffen eingesetzt werden.

Modifikation mit Silan-Kupplungsagenten

Die Zugabe eines geeigneten Silan-Kupplungsagents kann die Affinität zwischen dem Klebstoffharz und dem Substrat verbessern und damit die Haftfestigkeit sowie die Wärmealterungsbeständigkeit von Epoxidklebstoffen wirksam erhöhen. Die übliche Dosierung liegt zwischen 1 % und 5 %; bei den meisten dieser Mittel handelt es sich um organosiliciumbasierte Kupplungsagenten.

Füllstoffverstärkung

Füllstoffe können die Schrumpfungsrate der Klebeschicht verringern und die Dimensionsstabilität verbessern; die mechanische Festigkeit des Klebstoffs, wie Scherfestigkeit, Druckfestigkeit und Biegefestigkeit, erhöhen; die Verarbeitbarkeit des Produkts verbessern; die Kosten senken; sowie die speziellen Eigenschaften des Produkts (wie Hochtemperaturbeständigkeit, Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, dielektrische Eigenschaften, Isoliereigenschaften, Flammhemmung usw.) optimieren. Übliche Füllstoffe sind Talkum, Calciumcarbonat, Silizium-Mikropulver, Quarzpulver usw. Funktionsfüllstoffe umfassen leitfähiges Metallpulver, wärmeleitfähiges Metallpulver oder Bornitrid, elektrisches Glimmerpulver sowie flammhemmende Aluminiumhydroxid , usw.

Formulierungsbeispiele für verstärkte und modifizierte Epoxidklebstoffe

Nano-Füllstoff-modifizierte Epoxidklebstoffformulierung

Leistungsmerkmale: Die Zugabe von Nano-SiO₂ und eindimensionalen SiC-Whiskern verbessert die Festigkeit von Epoxidharzklebstoffen signifikant; die alleinige Zugabe eines der Füllstoffe führt jedoch zu einer vergleichbaren Verbesserung der Festigkeit. Die Zugabe eines 7 %igen Nano-SiO₂- und eines 10 %igen eindimensionalen Nano-SiC-Whisker-Faserkompositfüllstoffs zur Epoxidklebstoffbeschichtung kann einen synergistischen Effekt erzielen, sodass die Zugfestigkeit, Scherfestigkeit und Schlagfestigkeit des Klebstoffs die Werte eines einzelnen Füllstoffs übersteigen.

Formulierung eines epoxidharzbasierten Klebstoffs, modifiziert mit Nanogummipulver

Leistung und Anwendung: Die Partikelgröße des nano-vernetzten Kautschuk-Mikropulvers ist klein und kann in der kontinuierlichen Phase des Epoxidharzes gleichmäßig dispergiert werden. Die enorme Oberflächenenergie der Partikel erhöht die Bindungskraft zwischen den Molekülen des Epoxidklebstoffs sowie die Haftkraft zwischen dem Epoxidklebstoff und der Substratoberfläche, wodurch die Klebkraft und die Wärmebeständigkeit des Klebstoffs erheblich verbessert werden.
Dieser Klebstoff kann zum Verkleben von Metall auf Metall sowie von Metall auf andere Materialien eingesetzt werden, vor allem als Strukturklebstoff.

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