树脂胶粘剂固化工艺难管控？在线粘度测量帮你实时监测

摘要：为研究树脂与胶粘剂固化过程中粘度、温度随时间的变化规律，采用扭矩微振荡式在线粘度测量方法，对两种交联剂配比体系进行了连续监测，并依据测量曲线对固化过程进行了阶段划分和斜率分析。试验结果表明，不同交联剂配比会引起固化过程粘度增长速率、可操作时间及固化时间的差异。以3900 Poise为施工临界粘度，配方1和配方2的可操作时间分别为1600 min和2800 min；四个阶段的平均粘度增长斜率分别为1.113和0.833。在线粘度测量能够为固化过程的连续表征、配方比较和施工时间确定提供数据依据。需要指出的是，粘度变化不能直接等同于材料强度变化，二者的关系仍需结合具体体系开展独立测试与相关分析。

关键词：树脂；胶粘剂；固化过程；在线粘度测量；交联剂配比；动力学分析

1.  固化过程及动力学研究

树脂与胶粘剂的固化，本质是树脂与固化剂发生化学反应，逐步生成三维网状聚合物，将复合材料骨料包裹在网络结构中的过程。固化反应通常伴随放热现象，针对该过程的动力学研究，业内已有不少在线监测探索：依托折射率变化监测复合材料固化、超声手段实时追踪乙烯基酯树脂固化反应、动态 DSC 表征 BMI 改性酚醛树脂固化动力学、动态扭振法用于树脂固化研究等。但现有方案大多存在局限，部分装置并非商品化仪器，还有些无法实现连续在线采集，难以落地到实际工况测试。

本研究采用 LISICO SRV 在线粘度计，实现固化全过程粘度在线采集，完成固化动力学的量化表征。试验通过调整树脂与交联剂配比，全程追踪固化流变行为，并开展对应的动力学计算与深度分析。

2.  固化过程的在线测量

2.1试验方法  准备两份同样量的树脂，加入相同比例的填料，再根据试验设计加入不同比例的交联剂，经过同样的混合、搅拌后，将在线粘度计的探头插入树脂中，用电脑采集在线温度和粘度数据，采样频率为 1s ，得到两条过程曲线，测量时停止搅拌，不扰动物料，测量装置见图1。

图1  LISICO SRV在线粘度测量装置

2.2 在线粘度计工作原理

在线粘度测量解决方案中，以旋转法和振动法相对较多，这两种测量方法都有自己的适用场合，有的应用场合可以通用，考虑到固化过程的测量需尽可能不扰动物料，故采用扭矩微振荡的振动式在线粘度计。

扭矩微振荡粘度测定的原理为：驱动线圈在通电后，对横梁进行驱动，带动和探头传感器探头连接的驱动轴产生来回往复的扭转，在传感器探头表面及附近产生固定微振幅的共振剪切波。仪器正常使用时，浸入液体后的探头传感器对液体进行剪切，不同的液体由于具有不同的粘度，进而使液体和传感器探头表面之间产生不同振幅的扭转变化，为始终保持相同的微振幅共振，对传感器探头需要 输入不同的能量，随着粘度的增大，所需要的能量也增大，随着粘度的变小，所需要的能量也减少。通过对传感器探头保持固定振幅的不同能量变化，变送器将能量的变化信号转换成液体相对应的粘度值，然后再直接用数字显示或进行远传的信号输出。

2.3试验结果及分析

在线粘度以 1s 的时间间隔，获取1个测量值，进行了近 2 h 的连续测量，获得了整个固化过程完整的变化数据。考虑到测量时间长、数据量巨大，原始数据不在此赘述，为了说明过程的变化和做相对应的动力学分析，附上时间、粘度、温度曲线以便进行直观分析，见图2。

由图 2 可以看出，2 个配方的固化过程温度曲线、 过程变化和区间都比较接近，但在线粘度的过程曲线有明显差异。经去除温度并对粘度数据局部放大（见图3），再根据曲线的形状和粘度值，可以得到合适的施工临界粘度和时间，本案例中，以3900Poise 为标准，在粘度值小于该值时，体系处于可操作时间，配方1的可操作时间为 1600 min ，配方 2 的可操作时间为2800 min 。其中，可操作时间（即工作时间或使用期）是固化时间开始的一部分，液体被混合后，树脂、固化剂混合物在这一阶段仍然是液体，这时候是可以工作及适合使用的，为了保证固化后达到预定要求，施工和定位等工作都应该在这个固化操作允许时间内完成。

图2  2个配方的固化过程在线粘度测量曲线

图 3  2 个配方的固化过程在线粘度测量曲线（局部）

为了便于比较分析，将两批数据按粘度最低点为起始点，放入同一时间、粘度坐标体系下，可以看到以同一起始点为基准的时间、粘度变化曲线，以便进行动力学分析，见图 4 。

图 4  2 个配方的固化过程在线粘度测量曲线（局部）

将该过程根据粘度值分成 4 个阶段，粘度的间隔划分可以根据曲线的形状或粘度增长的一定间隔范围来确定，在这里以曲线的拐点为划分依据，然后用折线来表征整个过程并计算粘度增长斜率，得到不同阶段的粘度增长率，见图 5 。

图 5  2 个配方的固化过程在线粘度增长斜率

对 4 个阶段的粘度增长直线进行粘度和时间关系的斜率计算，得到不同阶段的粘度增长斜率，见表1 。

表 1  不同固化阶段的粘度增长斜率

从表 1 数据可以看到，加入不同比例的交联剂会导致不同的固化过程，相应的施工时间和固化时间也会不同。一般而言，交联剂越多，反应速度也会越快，同时在不同阶段粘度增长斜率也会不同，这些不同既和所用的树脂和交联剂本身有关，也和相互的配比有关， 通过测量和计算可以发现其中的差异。本案例中，配方 1 的固化较快，固化时间短，整体平均增长率为 1.113，大于配方 2 的 0.833，在实际使用时需要更快地完成施工使用，这样为下一步深入优化配方和施工工艺提供了第一手的实测数据。

本试验只进行在线粘度的测量和动力学的分析，没有对其固化机理和其他的影响因素做进一步的探讨和研究，因此可以在下一步研究中进行其他可能影响因素的变化试验设计，然后根据以上的分析方法和思路进行类似的动力学分析，通过对可能影响固化过程的因素进行试验，掌握每一个影响因素的贡献度，通过调整和组合得到理想的配方和工艺操作参数。

3．结语

通过固化过程在线粘度实测与数据分析证实：LISICO SRV 在线粘度计能够实现固化反应连续、自动化、高精度监测。调整配方与工艺参数，即可量化表征树脂、胶粘剂固化动力学，解析固化机理，为配方筛选、施工工艺优化提供可靠数据支撑。

搭配温控模块，可开展多温度下固化动力学测试，完成室温、中温、高温固化体系的工艺研究与优化；若加装光照控制装置，还能实现光固化过程的实时连续监测，属于当前前沿研究方向。

需要重点说明：粘度与材料强度存在关联，但并非简单正相关。受体系组分、界面状态影响，二者的相关性需单独测试后开展分析，且大多呈现非线性特征，在研究中不可直接推断。

不同配方体系的固化行为与反应机理差异显著。传统工艺多依靠经验、感官判断固化窗口，缺少全流程实测数据，为保障施工质量常预留过大保守余量，反而可能影响最终制品性能。借助在线粘度连续监测技术，可以模拟不同配比、环境条件下的固化反应，获取完整连续的固化曲线，为固化机理研究提供更全面的依据。