UV膠水收縮率探討
2021-08-05 3584
UV膠水在使用過程中涉及到兩個被粘接材料，因此相比UV油墨等涂料，在固化過程中更難消除收縮產(chǎn)生的應(yīng)力和體積上的缺陷，所以UV膠水對降低收縮率的要求也更高。
UV膠水體積收縮的產(chǎn)生不但影響粘接的尺寸精度,還會導(dǎo)致粘接力下降。對于剛性材料的粘接,容易產(chǎn)生紋狀空隙甚至開裂,對于柔性材料容易產(chǎn)生翹曲變形。所以降低UV膠水在固化過程的體積收縮,對于提高粘接的尺寸精度和粘接強(qiáng)度有著重要意義。
產(chǎn)生機(jī)理
UV膠水固化過程中產(chǎn)生的體積收縮,原因在于固化過程原子間的排列的緊密程度的變化。其中主要原因是固化過程中聚合反應(yīng)帶來的原子間的距離的變化,其次是從單體到聚合物過程中產(chǎn)生的熵的變化,即自由體積的變化。由于UV膠水熱膨脹系數(shù)在10-4的數(shù)量級,所以由于熱脹冷縮帶來的體積變化很小, 可以忽略不計。
UV膠水的固化反應(yīng)分為自由基型和陽離子型,這兩種反應(yīng)都伴隨著原子間距離的變化。
自由基型UV膠水的收縮率比較大,一般在5%～10%，通過陽離子型或其他方法改進(jìn)后的UV膠水可達(dá)到接近2%。而通常環(huán)氧樹脂膠黏劑的固化收縮率在2%～3%。自由基型UV膠水采用的主體樹脂(低聚物)和稀釋單體都是丙烯酸酯類。在聚合過程中,本來以范德華力作用的丙烯酸酯單體分子,變成了共價鍵連接,相應(yīng)原子間的距離從0.3～0.5ｎｍ縮短到0.154ｎｍ,縮短了約一半。這樣,原子在聚合物中的排列比在單體中緊密得多,導(dǎo)致聚合過程中的體積收縮。所以自由基反應(yīng)收縮率比較大,如常用的苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯均聚物的體積收縮分別在14.5%和21.3%。UV膠水中稀釋用的丙烯酸酯單體的體積收縮率一般都在8%以上。
陽離子型UV膠水的采用的單體一般是環(huán)氧化合物或乙烯基醚類。乙烯基醚類固化速度較慢,應(yīng)用不如環(huán)氧類廣泛。環(huán)氧類化合物的固化機(jī)理是在陽離子光引發(fā)劑的存在下發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)。環(huán)氧化合物開環(huán)聚合時,一方面環(huán)氧單體間的距離由固化前的范德華距離變?yōu)楣袒蟮墓矁r鍵距離,這一過程造成體積收縮;另一方面環(huán)氧單體聚合時單體上的環(huán)打開,分子內(nèi)的共價鍵距離變成類似于分子間的范德華距離,導(dǎo)致體積膨脹,部分抵消了成鍵帶來的體積收縮。二者的總結(jié)果是使環(huán)氧化合物固化后體積有少量收縮,但其收縮率遠(yuǎn)小于丙烯酸酯自由基聚合反應(yīng)。
聚合過程的另一個體積變化因素是從單體到聚合物的熵的變化,也就是單體到相應(yīng)的聚合物的自由體積的變化,即單體和聚合物中分子堆積密度的變化。由于分子在聚合物中不完全緊密堆砌,分子之間存在著自由體積。光固化前液態(tài)單體分子處于松散的自由活動狀態(tài),自由體積較大。光固化后丙烯酸酯單體生成三維網(wǎng)狀交聯(lián)的聚合物,其分子間交聯(lián)點(diǎn)多,明顯的限制了鏈段的運(yùn)動,自由體積變小,從而也帶來體積收縮。
影響因素
1.官能團(tuán)的含量
UV膠水的體積收縮,主要原因在于固化過程中聚合反應(yīng)帶來的原子間的距離的變化,所以UV膠的收縮率的大小主要取決于交聯(lián)密度,交聯(lián)密度越大,收縮率越高。對于自由基型UV膠水,丙烯酸酯基的含量是其決定因素。隨著相對分子質(zhì)量的增大,丙烯酸酯基含量的降低,多數(shù)呈收縮率降低的趨勢。其中丙烯酸異冰片酯的收縮率[敏感詞],為8.2%。
丙烯酸酯低聚物由于相對分子質(zhì)量較大,官能團(tuán)含量較低,所以收縮率一般較低。聚氨酯丙烯酸酯的收縮率一般低于環(huán)氧丙烯酸酯,而且分子的柔韌性更容易設(shè)計和調(diào)節(jié),所以聚氨酯丙烯酸酯比環(huán)氧丙烯酸酯更常用一些。
2.分子的結(jié)構(gòu)的規(guī)整程度
分子的結(jié)構(gòu)的規(guī)整程度對聚合過程的收縮率也有較大影響。對于直鏈型的分子結(jié)構(gòu),體積收縮近似正比于單位體積內(nèi)單體分子數(shù)目。支鏈型的或不規(guī)則的單體分子則不符合這個規(guī)律,在聚合后的收縮率也比較小。
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