新一代风力发电机的半壳不是用螺丝固定，而是用胶粘剂粘在一起的。
2019年03月1日 Read time: MinutesMinute
因采用HDK®而变得牢固无比
如果无法准确调整工业胶粘剂的流动性，胶粘剂就不能用于自动化涂覆工艺。为此，瓦克开发出一种新型气相二氧化硅产品，不仅能够改善胶粘剂的粘度，还可优化生产流程。这就是HDK® H21 —— 尽管憎水性出色，却能够在液态胶粘剂中迅速而便捷地润湿。
没有胶粘剂，就没有风力发电可言 —— 新一代海上风力发电机的风机叶片由两个半壳和腹板高强度粘接而成，最长可达80米。因此，使用的胶粘剂在风力发电机运作时必须承受住超强压力。同样，其它需要运用接缝技术的工业领域，也开始使用现代化的高效胶粘剂，例如，汽车制造业采用防碰撞胶粘剂将各种材料粘接在一起，建筑业则用化学锚栓取代常规锚栓。
精确调整 —— 风力发电机转子叶片的半壳（白色）和腹板（蓝色）用环氧胶粘剂粘接而成，粘接面（红线）上需要涂覆厚厚的一层胶粘剂。瓦克的气相二氧化硅能够精确无误地调整胶粘剂的触变性，从而确保胶粘剂牢固无比。
工业界使用的结构胶粘剂大部分基于环氧树脂、乙烯酯树脂或聚氨酯。为保障这些极性高效胶粘剂在自动化工艺流程中能够准确而可重复性地涂覆于粘接界面，生产商会根据应用需要，采用流变助剂来调整它们的流动性。
瓦克的高度憎水型HDK® H18气相二氧化硅已在流变性能方面树立了行业标杆。该产品憎水性极强，能够对助剂有效性起到关键作用。然而，HDK® H18需要借助高性能混合装置，才能省时高效地混入并分散于极性胶粘剂。
瓦克应用技术中心的一名工作人员正在将环氧树脂胶粘剂挤到玻璃板上。
胶粘剂测试样品采用HDK® H21制成，抗流挂效果明显更佳 —— 与对照产品不同的是，它不会“流动”。
因此，在这种情况下，瓦克在本年度欧洲涂料展首次面向广大专业技术人员推出的HDK® H21得以大显身手。瓦克HDK® EMEA/印度业务团队负责人Maria-Anna Biebl女士自豪地说：“我们这款新产品能够更加容易地混入极性液体，同时因优异的流变性能而与众不同。”
比表面积大（可高达400 m2/g）是气相二氧化硅共有的一个特性，这是它们的粒子结构带来的优势。瓦克憎水型HDK®技术服务经理Ingmar Piglosiewicz博士介绍说：“组成聚集体的原生粒子越小，粒子的表面积就越大，整个结构的网眼也越密。”
密网眼结构
与结构更为松弛的宽网眼结构相比，密网眼的结构能够更好地承受剪切力作用，这就是气相二氧化硅能够用于调节液体产品流动性的原因所在。
同时，气相二氧化硅的比表面积也决定了产品许多其它性能。HDK® H18和HDK® H21所含颗粒的比表面积大，寥寥几克产品，表面积便可覆盖整个足球场。
采用火焰水解工艺制取的气相二氧化硅粒子表面的硅烷醇基团能够赋予粒子以极性以及亲水性。如果有针对性地使用有机硅混合物，这些硅烷醇基团的活性能够用来对粒子进行改性处理，使气相二氧化硅的表面变成非极性和憎水性，从而减少可供活性胶粘剂系统使用的硅烷醇基团的数量。对气相二氧化硅表面进行憎水处理，能够阻止其与粘结性树脂发生化学反应，从而延长产品的储存期。
易于加工 —— HDK® H21新型气相二氧化硅能够被极性粘结性树脂迅速润湿。采用环氧树脂和气相二氧化硅（用量为8%）进行的对比测试清晰地表明，HDK® H21在液体环氧树脂中的润湿速度要快得多，从而能够提高这道生产工序的效率。
因碳而憎水
瓦克所有憎水型HDK®产品都是在火焰水解之后的一道工艺中生产而成的。例如，在生产HDK® H21和HDK® H18时，瓦克采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行处理，因此，可根据PDMS中的甲基进入气相二氧化硅的碳的含量来确定这些产品的憎水性。HDK® H21的碳含量约为5.5%。Piglosiewicz博士解释说：“对于比表面积每克200平方米的气相二氧化硅来说，这个比例是相当高的，因此HDK® H21具有极高的憎水性。同时，它也是有效调节极性胶粘剂的流动性的决定性因素之一。”
高度憎水的非极性气相二氧化硅是极性胶粘剂系统的有效流变助剂。由于极性胶粘剂和非极性憎水型二氧化硅之间的极性不同，因此二氧化硅聚集体更易彼此作用，而非与聚合物基体进行反应：粒子之间的相互作用将形成附聚网络，使产品最终获得理想的流变性能。
然而，高憎水型气相二氧化硅很难被极性胶粘剂润湿，因为极性的差异通常会使这种二氧化硅需要很长的时间和特殊的设备才能被极性胶粘剂润湿。正因如此，憎水性二氧化硅为生产商带来了挑战。
环氧树脂配方产品的粘度 —— 添加了8%新型HDK® H21的液态环氧树脂（左侧双柱图标），在剪切速率低的情况下（0.1 s–1，白色柱状图标）具有高粘度；树脂在搅拌速度慢的情况下处于粘稠状态。剪切速率一旦提高（10 s–1，红色柱状图标），树脂的粘度就会迅速降低，变得稀薄。这表明，HDK® H21这种高度憎水型气相二氧化硅新产品具有很强的剪切稀化性能。
“我们的开发人员大幅度调整了PDMS憎水处理后的气相二氧化硅的润湿性，大大缩短了产品在极性胶粘剂配方中的润湿时间，因而产品更易处理。”
瓦克HDK® EMEA/印度业务团队负责人Maria-Anna Biebl女士
瓦克博格豪森生产基地的化学家们在相关研究中，特别考虑到了环氧化物、异氰酸酯、多羟基化合物和乙烯基酯系统。二氧化硅附聚体网络在液体中的形成过程是可逆的：在剪切力的作用下，这些附聚体能够被转化为聚集体或更小的附聚体单元，然后在外力作用下重新还原成附聚体。在存放液体胶粘剂系统时，二氧化硅网络体能够提高其粘度，产生流变屈服点，从而防止胶粘剂中填料等组分发生沉积现象。所以，使用气相二氧化硅后能够显著提高胶粘剂的储存稳定性。即使在胶粘剂涂抹到基材上之后，这些二氧化硅网络也能抵御重力作用，并借助流变屈服点，防止胶粘剂流动。
经HDK® H21触变处理的环氧树脂被涂覆在倾斜放置的玻璃板上：采用HDK®气相二氧化硅制成的极性胶粘剂没有流动，涂层具有抗流挂性。
粘度与加工时间——这张粘度/时间变化曲线图显示，乙烯酯树脂在使用瓦克憎水气相二氧化硅后，流变性能得到显著改善。粘度分别在剪切速率为1 s-1、10 s-1和199 s-1时测得，与常规憎水性气相二氧化硅（灰色曲线）相比，HDK® H21（红色曲线）即使在剪切强度较小的情况下，也可显著提高树脂的粘度和触变性能。
可逆的网状结构
在瓦克技术支持专家Piglosiewicz博士看来，上述气相二氧化硅助剂的总体优势在于“它能够让产品拥有极其强大的粘结力”。然而，应用商也希望胶粘剂拥有良好的加工性能，因此要将产品的粘度控制在较低水平。用瓦克气相二氧化硅配制而成的胶粘剂系统在加工和使用过程中，会受到剪切力（搅拌、泵送和挤出）的作用，此时，液体配方产品中的附聚体网状结构会被破坏，与处于静止状态时相比，此时的产品粘度将会下降，从而易于加工。
Piglosiewicz博士告诉我们：“在胶粘剂系统中形成可逆型二氧化硅网络，能够达到两个效果：液体胶粘剂在静止状态时的粘度较高，在加工和涂覆时的粘度较低。”这种现象被称为剪切稀化效应或假塑性，也即所谓的触变性。
胶粘剂获得触变性后，在使用时，即使涂覆于倾斜的表面 —— 例如风力发电机转子叶片半壳或汽车车身的部分部位，胶粘剂也不会从粘接界面垂挂下来。用来连接沉重建筑部件的化学锚栓，工作原理同样如此：在建筑物承重结构上钻孔，将地脚螺栓粘接进去，用以固定阳台等其它建筑部件时，如果结构胶的流变性调整正确，胶水就不会从钻孔中流出，螺栓便可纹丝不动地固定在钻孔中。
区别显著
如果想让胶粘剂拥有出色的触变性，它在液体阶段的极性就必须与HDK®的极性有明显差异。这是因为，如果极性差别大，HDK®中的聚集体微粒就更易于形成剪切性相对稳定的附聚体结构，聚集体也更倾向于相互作用，而不是与液体阶段的异质分子发生反应。由于在无法形成HDK®附聚体结构的高剪切速率和能够形成网状结构的低剪切速率之间存在明显的粘度差异，制造商能够通过改变HDK®用量来精确调整流变效果。
有了HDK® H21这种非极性高度憎水型气相二氧化硅，制造商就能够有效地调整极性工业胶粘剂的流动性。Piglosiewicz博士补充说：“HDK® H21由于流变功效极佳，还能减少高极性配方产品中二氧化硅的用量，” —— 这同样有助于节约成本。
气相二氧化硅
氯硅烷在1200至1500摄氏度的氧氢焰中燃烧后，能够形成纯度高、无定型、表面积大的二氧化硅。在这种氯硅烷水解反应中，分子形式的二氧化硅首先在火焰最炽热处形成，并在前往火焰较低温度处时，聚集成球状的液态颗粒，即初生粒子。这些液滴只要处于液体状态，其直径就会继续增长，直至达到10至50纳米左右，成为原生粒子。
此时，它们只是局部液态，即使相互碰撞，这些原生粒子也不会完全合并成更大的球状颗粒，而是形成100至500纳米大小的高度支化的聚集体。这些聚集体会在火焰低温端完全固化，并由氢键连接成块，大小可达1微米以上。在这些所谓的附聚体中，聚集体微粒能够形成一种较为敏感的三维网状结构，后者可重新分解为聚集体微粒或更小的附聚体单元。在利用气相二氧化硅对液体产品的流动性进行调节时，附聚体中网状结构的稳定性能够起到重要作用。
联系人
有关详细信息，请联系：
Dr. Ingmar Piglosiewicz
HDK®应用技术部门经理
瓦克有机硅
+49 8677 83-86417
ingmar.piglosiewicz@wacker.com