磷酸鹽類膠黏劑是以濃縮磷酸為黏料的一類膠黏劑,主要有硅酸鹽一磷酸、酸式磷酸鹽、氧化物一磷酸鹽等眾多的品種,可用于粘接金屬、陶瓷和玻璃等眾多材質。它們與硅酸鹽類膠黏劑相比,具有耐水性更好、固化收縮率更小、高溫強度較大以及可在較低溫度下固化等優點。其中氧化銅一磷酸鹽膠黏劑是開發最早、應用最廣的無機膠黏劑之一。現代的氧化銅一磷酸膠黏劑應用最廣泛的領域是耐高溫材料的粘接,其中添加一些高熔點的氧化物如氧化鋁和氧化鋯等所組成的配方,可耐1300~1400℃的高溫,這是其他任何有機膠黏劑所無法達到的。 下面以磷酸一氧化銅膠黏劑為例,說明磷酸鹽類膠黏劑的配方工藝設計。
氧化銅一磷酸鹽膠黏劑是由特制(或輕質)氧化銅粉和特殊處理的磷酸鋁(濃磷酸加少量氫氧化鋁)溶液配制而成。通常為雙組分,現用現配。
配制該膠所用的氧化銅要有一定的純度,氧化銅含量應大于95%。二般的氧化銅粉(工業或試劑)活性大,反應太快,不能用于配制膠黏劑,需要進行特殊處理。由經過處理的氧化銅中間體在890℃煅燒4h,經機械球磨、多次分篩的氧化銅粉稱為特制氧化銅粉,假密度大于3.2g/cm3;或由經過處理的氧化銅中間體在890~C煅燒4h,不經球磨粉碎,全部能通過320目篩,假密度為0.8~1.2g/cm3的氧化銅稱為輕質氧化銅粉。處理后的氧化銅粉表面活性顯著減小,延長了適用期,提高了粘接強度。氧化銅粉應放在干燥器內密封保存,吸水后粘接強度會降低,并且膠的適用期縮短。
磷酸鋁溶液的制備是在100mL的化學純或分析純、相對密度大于1.7的磷酸(工業磷酸亦可)中,加入5g化學純或分析純的氫氧化鋁,不斷攪拌,加熱到150~200℃,大約5min后氫氧化鋁便溶解成甘油狀的透明溶液,保持1~2h后冷卻裝瓶待用。加入氫氧化鋁不僅可延長適用期,而且能提高粘接力。若是冬天出現結晶,可適當加熱(50~60℃)令其溶解后仍可再用。
為使磷酸鋁溶液在冬季時不易結晶,使用方便,可于上述配方中加入0.5g左右的三氧化鉻,加熱至260℃反應,溶液由紅棕色變為草綠色后,再反應5min即停止加熱,冷卻后裝瓶待用。
氧化銅一磷酸鹽無機膠的配比按下式計算:
K=A/B=3~3.5
式中,K為氧化銅與磷酸鋁溶液之比,g/mL;A為氧化銅用量,g;B為磷酸鋁溶液用量,ml。
當K值越大,固化速度越快,如K值超過4.5,粘接強度增加不明顯,而且由于固化速度太快,膠黏劑施工發生困難。當K值相同時,如環境溫度高,則固化速度快,活性期短。在一般情況下,冬季采用密度較小(1.7g/cm3)的磷酸及K值大的配方;夏季采用密度較大(1.9g/cm3)的磷酸及K值小的配方。下表列出了K值為4、溫度為20℃時磷酸密度與膠液活性期的關系。表8—7列舉了不同K值時的粘接強度。
磷酸密度與膠液活性期的關系(K=4,20℃)
磷酸密度/(g/cm3)
|
膠液活性期/min
|
1.6
|
5
|
1.7
|
10
|
1.8
|
15
|
1.9
|
20
|
2.0
|
25
|
不同K值時的粘接強度 ①
K值
|
套接剪切強度/MPa
|
2.0
|
60
|
2.5
|
68
|
3.0
|
78
|
3.5
|
86
|
4.0
|
93
|
4.5
|
96
|
5.0
|
98
|
① 試驗條件為磷酸密度1.9g/cm3,接頭徑向間隙0.2~0.4mm,固化溫度50~60℃。
磷酸鹽型無機膠的固化過程為放熱反應,如散熱不好及配膠量過多,會縮短膠液的活性期,影響使用。一般一次調膠量以10~15g為宜。
使用時為了改善膠液的性能(如導熱性、導電性及粘接強度等),可加入適量還原鐵粉、硼砂、石棉粉、玻璃粉、硬質合金粉、二硫化鉬、氧化鋁、氧化鋯等填料,但必須嚴格遵守先將氧化銅與磷酸鋁溶液調好后再加入,否則會降低粘接強度并使膠液變質。