用于光纤光栅封装的环氧胶粘剂纳米改性研究

　　1　引　言

　　在光纤光栅(FBG)传感器的制造中,常需要将FBG粘贴固定在基底材料上,借助基底材料的形变将外界待测量如温度、压力和应变等传递到FBG上,实现工程测量[1~3]。200℃以下FBG胶粘剂已有报道,如侯凤杰等人[4]研究并得出Nor-land紫外固化胶和353ND红外粘接剂为最佳选择。但要同时满足高温(300℃以上)、高压(40 MPa以上)、耐水、耐油和耐腐蚀等要求,还要具备粘接强度高、收缩率小的FBG胶粘剂,国内外尚无报道,这也是制约FBG传感器在高温、高压和腐蚀性等恶劣环境中使用的一项关键技术。

　　本文在环氧基胶粘剂中填加纳米SiO2、TiO2和SiC粒子,以此提高胶粘剂的耐温性能、剪切(拉伸)强度和减小固化收缩率。用改性后的环氧胶粘剂封装的FBG温度、压力传感器,能够应用于高温高压腐蚀性等恶劣环境。

　　2　纳米改性机理

　　2.1　环氧胶粘剂的特点及不足

　　环氧胶粘剂通常是以环氧化合物与多元羟基化合物进行缩聚反应生成的高聚物,其分子结构中含有大量的环氧基、羟基等活性基团,在交联剂的作用下,具有三向网状结构。主要具有以下性质:

　　1)粘附力强。环氧树脂中的羟基和醚键属于极性基团,使树脂分子和相邻界面间容易产生电磁引力,因而对金属有很好的黏结力,并对陶瓷、玻璃等极性基材均有良好的附着力。

　　2)收缩率较低。环氧树脂和固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的,聚合后体积变化不大(小于2%)。

　　3)耐酸碱性能优良。环氧树脂中主要为羟基和醚键,几乎没有酯基,因此即可耐酸碱也可耐一般的有机溶剂。

　　4)化学稳定性好。合理选配环氧树脂和固化剂,可获得特殊的化学稳定性。然而该类胶粘剂的不足之处在于:

　　1)玻璃转化温度(Tg)较低,一般为100~150℃。

　　2)耐温性能较差,例如常用的二酚基丙烷型环氧树脂,在空气中使用时,一般在180~200℃就会发生热氧化分解,即便在无O情况下使用时,热分解温度只能达到300℃左右。

　　3)固化收缩所产生的应力较大,粘贴FBG后易出现啁啾现象。

　　实验表明,直接用此种胶粘剂进行脆性基底材料FBG传感器的封装,容易拉裂基底材料。

　　2.2　纳米粒子改性机理

　　通常固体表面原子与内部原子所处的环境不同,当粒子的直径远大于原子的直径(如大于0.1μm)时,表面原子所占的比例可以忽略;随着粒径减小,表面分布的原子数相对总的原子数的比例急剧增大,此时表面原子的数目及作用就不能忽略了。

　　从图1可看出,处于表面的原子A、B、C、D和E比处于内部的原子配位明显减少,如A原子缺少3个近邻即存在3个表面原子缺少项,B、C和D原子各存在2个缺少项而E原子存在1个缺少项。缺少项的存在致使表面分布的原子有极高的反应活性和结合能,更容易俘获其它原子形成共价键。当纳米SiO2、TiO2和SiC粒子加入环氧胶粘剂时,依据原子缺位模型,在纳米粒子与环氧胶粘剂的界面上形成大于范德华力的作用力即形成共价键结合力。另一方面,纳米粒子经偶联剂处理后,表面存在大量的羟基,固化过程中环氧树脂的环氧环被打开并与粒子表面的羟基发生反应,将纳米粒子引入到环氧树脂的三维体型大分子中,使得大量的纳米粒子与环氧树脂发生共价键结合。图2为纳米SiO2粒子与环氧树脂共价键结合的示意。除此外,剩余的纳米单体粒子分散在环氧树脂三维网状结构的空隙中,此时刚性的单体粒子保持其纳米尺度而被柔性的环氧树脂包埋隔离,形成相互贯穿交错的网络结构,只要包埋隔离的相邻区域足够小,便可达到稳定的互穿网络纳米复合,图3即为互穿网络示意。综上,环氧胶粘剂中填加纳米SiO2、