利用流变学制定密封胶配方！我要拿小本本记下来！作者：C. Street

作者：C. Street，首席材料工程师 G. Frazee，高级研究员 I. Harvey，项目主管 T.H. Killilea全球技术总监， Engineered Polymer Solutions公司

一、对了解流变特性，促进密封胶的研发，推动产品的差异化进程

　　密封胶的结构和流动特性、流变进行定量检测可帮助配方师了解配方组分和他们对应用特性的影响两者之间的关系。本文论证了调配密封胶的原料变量和流变性以及应用性能之间的关联。首先对密封胶相应的流变条件做了简略介绍。

　　配方组分的实验性研究内容包括颜基比，表面活性剂添加量，挥发份含量和流变改性剂用量。了解流变特性可明显促进密封剂的研发，推动产品的差异化进程。

二、常规测试

　　密封胶的美国材料试验协会标准(ASTM)中的C920或C834规定了密封胶的标准。虽然商业化产品必须符合这些工业标准，但这些标准达到的数值与客户所期望的体验值存在关键的脱节。

　　密封胶的研发始于配方制定;聚合物和其它成份的组合方式必须与产品需求相一致。接下来的步骤是应用;包括施加压力把密封胶从胶管中挤出，再用工具把密封胶涂到连接处。最后，密封胶务必在合理的时间表内变干，还要达到所期望的固化性能;密封胶必须要有弹性，有良好的附着力和内聚力，还要有符合要求的外观。传统的密封胶开发过程是反反复复进行的，而且这个过程的基础是不断的试验，尝试和失败。

图1

　　湿密封胶的常规测试包括敲击法和划涂法。敲击法如图1a所示，密封胶样品放置在平整的表面上，手指在样品上轻轻敲击，来模仿工具或手指把密封胶压入连接处的起落动作。这里指定了从1到3的评价数值，手指移开后，没有尖峰出现是1，出现大的尖峰为3。划涂法如图1b所示，在平整表面上放置一团密封胶。既要手指轻缓地滑移，又要使密封胶在涂划到最后，随着手指迅速离开，残余的密封胶能留下拖尾印迹。这种方法同样指定了从1到3的评价数值，1说明残余密封胶的拖尾最少，3是拖尾最多。

　　常规测试是主观的，尤其是这些测试依赖一根手指来进行。对于密封胶经验丰富的人来说，一根手指的方式或许是可以接受的。然而，更多有用的是客观的能够定量的密封胶材料特性的检测数据，这些数据可用流变学的方法测定——特别是振荡流变学。

三、流变学测试

　　振荡流变学对材料的流体和弹性特性提供量化。这个量化通过正弦应变与合成应力的测量值来完成。G’和G”分别对应同相和反相的施加应力。G’代表样品的弹性或结构性特征数值，而G”代表液态特性值。

　　实例有助于阐明G’和G”的含义。例如水位于流体范围的末端，是最纯粹的液体;当水受到剪切，就发生形变，同时施加剪切所带来的能量会消散。水完全是G”的特征。

　　另一方面，如果以定量的力去拉伸橡皮筋，只要它被拉伸，形变就会保持着。这就得到橡皮筋的弹性特征G’。许多材料具备的特性值介于水和橡胶之间;这些材料是粘弹态的。密封胶就属于这一范畴。G’和G”相对的数值可以提供出密封胶相关的全部行为信息。流变学是一种功能强大的工具，把客户应用体验与材料的可测量特性联系起来。目标参数用流变仪来检测，从而加速了产品发展。

图2

　　如图2所示，通常用振荡流变的过程来模拟密封胶的施工。这个过程源自麦格兹1。实际应用中密封胶被工具加工的过程通过被放置在流变仪中的密封胶样品表现出来，流变仪模拟了工具对密封胶的加工，并且提供密封胶的特性数据。图2d的曲线显示出模量，粘弹特征和流体特征，这个曲线是依据加工过程中的时间和应力形成的。测试之初，当工具或手指开始加工样品时，密封胶特性主要是粘弹结构特性主导，G’>G”可证实这一点。随着时间的推移，加工过程继续进行，更大的应力施加出来。结构开始被分解，密封胶流入连接处，表现出G”>G’。当工具/手指撤出，伴随的应力消失，结构(G’)复原。

　　图2d曲线上手指/工具施压的部分对应加工过程的开始阶段。模数相同(G’=G”，也即交叉点)的部分的拉力与敲击法的评估相关联。加工过程中，G’在手指/工具施压时是减少的。G’的减少能够增加密封胶对手指或工具的浸润和粘附的趋势，导致尖峰形成，这是不期望出现的特性。这种特性使密封胶在敲击法评估时属于最差的。为了改善敲击评估结果(或者可以说降低成峰趋势)，模数交叉点的流变学标志需要转变到更长时间和更高应变。

　　图2d曲线中表示加工的部分对应的是加工过程中工具或手指顺着密封胶的移动。此外，密封胶在这样的过程中是流动的，表现出G”>G’。减少密封胶复态粘度或稳定性的波动，这关联到G’和G”，会改善密封胶的易施工性能，因为这表明移动密封胶需要的力更小。换言之达到稳定状态的速度越快，密封胶的施工性能越好，在稳定的状态下，密封胶的反应与特性不发生变化。这种量化用手指是不可能达到的。

　　图2d曲线上手指/工具离开的部分对应加工过程的终端。密封胶在这部分过程里中的结构复原，这一点可以通过G’增加到大于G”来证明。这种G’和G”之间的交叉点可与划涂法相关联。用更高的应力来移动交叉点，这可以改善工具涂抹性能。

四、配方设计的影响

用实验设计来理解配方组分对湿密封胶特性和施工性能的影响。对表面活性剂使用量，增稠剂和挥发分含量，还有颜料基材比例(P：B)进行研究。应用实验设计的方式来对这些影响因素进行同步研究。

调节这些因素的水平会直接影响到密封胶的流变性。图3描述了这些因素对图2d中手指/工具施压阶段影响。正如图3所示，增加挥发分的用量可导致线性区域里流体特性的增加，而增加表面活性剂的用量时，在线性区域内粘弹特性和流体特性之间的差异也会增大。降低P：B颜基比可使模量交叉点向较长时间或较高应力移动，增加增稠剂用量，在出现交叉点的地方模数会增加。理解配方对最终产品的流变性的影响有多少差异将有利于调整密封胶配方，从而得到所期望的稳定性和性能。

图3

具体实例可以表明流变学是怎样提供比常规测试更多的结论和方向的。例如，在颜基比和表面活性剂范围内的第一个模数交叉点处，敲击法和流变学测试的对比(见图4)。常规评估的方法可以提供大致的方向，指明增加表面活性剂和降低颜基比能够改善工具敲击测试的结果，但无法说明能够改善的程度。而流变学对模数交叉点的测量则可以提供更多的信息，这些信息说明了如何调整密封胶配方中颜基比和表面活性剂含量能够能改善工具敲击性能。

图4

图5

图5显示了第二个实例，常规划涂法和流变性能G”对线性区域内增稠剂和挥发分比例的检测。在这种情况下，常规测试无法给出如何提高工具划涂性能的方向性信息，然而流变学测试清晰地指出了提高增稠剂和挥发分水平可以改善划涂性能的途径。具有物理意义的流变学量化数据能够提供关键性的信息，这些信息在制定密封胶配方时可以优化产品性能，改善用户体验强有力的工具。

了解流变性，就能强有力地洞悉密封胶的设计。本文中，流变仪用来模拟密封胶的施工过程，流变学数据与常规工具评估值相关联。流变仪提供了密封胶的结构和流动行为的定量测试数据，清晰地指明密封胶各组分的影响。流变参数也能够给出一些更多的结论，为改善密封胶的施工性能提供参考。流变学应用到密封胶设计中可以显著加快产品开发进程。

参考文献：

Mezger, Thomas G., “The Rheology Handbook,” European Coatings Tech Files

来源：林中祥胶黏剂网

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