淺析鋁塑復(fù)合板滾筒剝離和180°剝離的相關(guān)性

費(fèi) 永 劉?？?（聯(lián)合金屬科技（杭州）有限公司，浙江 杭州311122）

1 前言

鋁塑復(fù)合板簡稱鋁塑板，是以兩層涂層鋁為面，塑料為芯層，利用高分子粘結(jié)膜高溫復(fù)合而成的復(fù)合裝飾材料。其中涂層鋁與塑料芯層的粘結(jié)強(qiáng)度的好壞直接影響到鋁塑板的質(zhì)量的好壞，因?yàn)殇X塑板的使用過程中承擔(dān)載荷的主要方式就是靠涂層鋁和塑料芯材之間的粘結(jié),所以剝離強(qiáng)度是鋁塑板最重要的力學(xué)性能之一?，F(xiàn)行的試驗(yàn)方法有滾筒剝離和180°剝離兩種，由于滾筒剝離在剝離強(qiáng)度試驗(yàn)中能消除因被剝離層撓曲而引起的測量誤差，所以取代180°剝離成為建筑幕墻用鋁塑復(fù)合板剝離強(qiáng)度的檢測方法。新的鋁塑復(fù)合板國家標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布實(shí)施一年多的時(shí)間，從執(zhí)行的情況和行業(yè)里的交流討論來看，大家對滾筒剝離方法異議最大。分析原因?yàn)闈L筒剝離試驗(yàn)要求試驗(yàn)人員具有一定專業(yè)知識(shí)、儀器設(shè)備要求高、操作復(fù)雜、檢測時(shí)間長（較180°剝離）等原因?，F(xiàn)有不少業(yè)內(nèi)人士要求恢復(fù)使用180°剝離檢測方法，所以當(dāng)前對滾筒剝離檢測方法和180°剝離檢測方法之間的相關(guān)性的分析和研究十分有必要。

2 理論分析

2.1 滾筒剝離

（1）原理

用帯凸緣的筒體從夾層結(jié)構(gòu)中剝離面板的方法來測定面板與芯子膠接的抗剝離強(qiáng)度。面板一頭連接在筒體上，一頭連接在夾具上，凸緣連接加載帶，拉伸加載帶時(shí)，筒體向上滾動(dòng)，從而把面板從夾層結(jié)構(gòu)中剝離開。凸緣上的加載帶與筒體上的面板相差一定距離，夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度實(shí)為面板與芯子分離單位寬度上的抗剝離力矩。

（2）受力分析與計(jì)算公式

首先對滾筒剝離的過程進(jìn)行受力分析：

如圖1所示，滾筒受到的作用力包括：通過重心的重力G（在試樣夾相對應(yīng)的地方增加平衡配重，使其重心與中軸線重合），試驗(yàn)機(jī)施加的拉力F拉，剝離面與試樣接觸點(diǎn)A處的支撐力P，如圖2所示的剝離處粘膠劑產(chǎn)生的一系列的拉力L以及使鋁板卷到滾筒上的彎曲力F彎曲。

圖1 平衡狀態(tài)的滾筒受力分析圖

如圖2所示，剝離區(qū)域內(nèi)不同的位置粘膠劑產(chǎn)生的拉力是不同的，所謂的粘結(jié)力不是一點(diǎn)單獨(dú)的作用力，而是在剝離但沒有完全分開的區(qū)域內(nèi)分布的力的組合作用。由于這些力的分布很復(fù)雜，無法用單獨(dú)一點(diǎn)的力來表示，但我們可以認(rèn)為這些分布的粘接力產(chǎn)生了一個(gè)綜合的作用結(jié)果，就是圍繞A點(diǎn)的粘接力矩T，用這個(gè)粘接力矩來反映粘結(jié)強(qiáng)度。

圖2 放大后的滾筒剝離處示意圖

在第一次剝離試驗(yàn)過程中，因?yàn)闈L筒始終都是在往同一方向做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以滾筒在剝離試驗(yàn)過程中始終處于力矩平衡狀態(tài)，滾筒上任何一個(gè)點(diǎn)上的力矩都是平衡的。因此有了A點(diǎn)上的力矩也是平衡的，繞A點(diǎn)順時(shí)針方向重力G、粘膠劑產(chǎn)生的拉力L和使鋁板卷到滾筒上的彎曲力F彎曲所產(chǎn)生的力矩之和等于繞A點(diǎn)逆時(shí)針方向試驗(yàn)機(jī)施加的拉力Fp所產(chǎn)生的力矩。用數(shù)學(xué)公式表示為：

在第二次剝離實(shí)驗(yàn)過程中，滾筒也是始終都是在往同一方向做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾筒在第二次剝離試驗(yàn)過程中也是始終處于力矩平衡狀態(tài)，即滾筒上任何一點(diǎn)上的力矩都是平衡的。因此有了A點(diǎn)上的力矩也是平衡的，由于這次少了粘膠劑產(chǎn)生的拉力L，繞A點(diǎn)順時(shí)針方向重力G和使鋁板卷到滾筒上的彎曲力F彎曲所產(chǎn)生的力矩之和等于繞A點(diǎn)逆時(shí)針方向試驗(yàn)機(jī)施加的拉力F拉所產(chǎn)生的力矩。用數(shù)學(xué)公式表示為：

由式①減去式②可得到：

由于T粘與試樣寬度b呈正相關(guān)的關(guān)系，寬度b越大T粘越大。為統(tǒng)一比較基礎(chǔ)，將式③兩邊同時(shí)除以寬度b轉(zhuǎn)化為單位寬度的剝離強(qiáng)度，因此可得式（4）

式中b——試樣寬度，單位為毫米（mm）；

ri——滾筒中間段的半徑加上被剝離層厚度的一半，單位為毫米（mm）；

r0——滾筒凸緣半徑加上加載帶厚度的一半，單位毫米為（mm）；

F0——按等距離方法計(jì)算的平均拉伸載荷，單位為牛頓（N）；

FP——按等距離方法計(jì)算的平均剝離載荷，單位為牛頓（N）；

T粘——粘膠劑產(chǎn)生的拉力L產(chǎn)生的力矩，單位為牛頓每毫米（N /mm）；

T——平均剝離強(qiáng)度，單位為牛頓·毫米每毫米（N·mm /mm）

需要說明的是，在這個(gè)試驗(yàn)要求加載帶是柔性的，只有柔性的加載帶在試驗(yàn)中才不會(huì)因?yàn)槭辜虞d帶彎曲而需要提供額外的拉力，否則會(huì)使剝離強(qiáng)度的計(jì)算變得更復(fù)雜。另外不論是加載帶還是被剝離的鋁材，都假設(shè)其力的作用點(diǎn)與中心是重合的。

2.2 180°剝離

（1）原理

兩塊被粘材料用粘接劑制備成膠接試樣，然后將膠接試樣以規(guī)定的速率從膠接的開口處剝離，兩塊被粘物沿著被粘面長度的方向逐漸分離。通過撓性被粘物所施加的剝離力基本并行于膠接面。

（2 )受力分析與計(jì)算公式

首先對180°剝離過程進(jìn)行受力分析：

如圖3所示，在剝離臨界點(diǎn)A鋁材所受到作用力包括：試驗(yàn)機(jī)施加的剝離力F，粘膠劑與鋁材的粘接力L，重力，鋁材的彎曲力。重力和鋁材的彎曲力相對于粘膠劑與鋁材的粘結(jié)力非常小，可以忽略不計(jì)。在剝離試驗(yàn)過程中A點(diǎn)的位置是平行于膠接面且不斷變化的，由于剝離速率是勻速，故A點(diǎn)可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài)。根據(jù)牛頓第一定律可得，在忽略重力和鋁材的彎曲力的情況下：試驗(yàn)機(jī)施加的剝離力等于粘膠劑與鋁材的粘接力。公式如下：

180°剝離強(qiáng)度計(jì)算為：

將(1)代入(2)得

式中σ180°——180°剝離強(qiáng)度，單位為牛頓每毫米（N /mm）；

F——?jiǎng)冸x力，單位為牛頓（N）；

B——試樣寬度，單位為毫米（mm）；

圖3 平衡狀態(tài)試樣的受力分析圖

綜上所述，要從理論上找出滾筒剝離強(qiáng)度和180°剝離強(qiáng)度之間的相關(guān)性，即將滾筒剝離強(qiáng)度公式(7)除以180°剝離強(qiáng)度公式(3)可以得到：

式中σ180°——180°剝離強(qiáng)度，單位為牛頓每毫米（N /mm）

T——平均剝離強(qiáng)度，單位為牛頓每毫米（N/mm）

ri——滾筒中間段的半徑加上被剝離層厚度的一半，單位為毫米（mm）；

r0——滾筒凸緣半徑加上加載帶厚度的一半，單位毫米為（mm）；

F——?jiǎng)冸x力，單位為牛頓（N）；

F0——按等距離方法計(jì)算的平均拉伸載荷，單位為牛頓（N）；

FP——按等距離方法計(jì)算的平均剝離載荷，單位為牛頓（N）；

B、b——試樣寬度，單位為毫米（mm）；

由于式(8)存在FP、F0、F和ri四個(gè)變量且不能相互轉(zhuǎn)化，所以滾筒剝離強(qiáng)度與180°剝離強(qiáng)度之間的相關(guān)性不能通過公式轉(zhuǎn)化直接得到，需要通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析兩者的相關(guān)性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 滾筒剝離實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1 儀器設(shè)備

（1）千分尺：用于試樣寬度的測量；

（2）材料試驗(yàn)機(jī)：能以恒定的速率加載，示值相對誤差不大于±1%，實(shí)驗(yàn)的最大載荷應(yīng)在試驗(yàn)機(jī)示值的15%～90%之間。

（3）滾筒裝置：如圖4所示，滾筒裝置由滾筒、試件夾、試件夾的平衡配重、柔性加載帶以及上下夾板所組成。滾筒中間段外徑為100mm，滾筒兩頭纏繞加載帶的凸緣的外徑加上加載帶的厚度應(yīng)比滾筒中間段外徑大25mm。

3.1.2 試驗(yàn)過程

（1） 試樣的準(zhǔn)備：試樣尺寸為25mm×350mm，沿橫向和縱向各裁取12條，分別測量橫向正面、橫向背面、縱向正面、縱向背面4組的剝離強(qiáng)度，每組6條試樣。試樣試驗(yàn)前應(yīng)在23℃±2℃、相對濕度50%±10%的條件中放置24h。

（2） 試樣的安裝：在試樣兩端將待剝離面的鋁材剝開一小段，其中一端剝開鋁材后的芯材和鋁材截去，把留下的鋁材夾在上夾板上并與試驗(yàn)機(jī)的上夾頭相連；把另一端剝開的鋁材用試樣夾夾在滾筒上。使試件的長度軸線與滾筒的中心軸線垂直，試驗(yàn)機(jī)載荷清零，然后把下夾板與試驗(yàn)機(jī)的下夾頭相連。

（3） 剝離試驗(yàn)：試驗(yàn)機(jī)以25mm/min的速度進(jìn)行拉伸，滾筒向上旋轉(zhuǎn)爬升，鋁材被剝離開并纏繞在滾筒上，直到試件剝開至少150mm，同時(shí)記錄載荷—拉伸距離曲線。使試驗(yàn)機(jī)返回直到滾筒,回到剝離前的初始位置，重復(fù)試驗(yàn)機(jī)拉伸動(dòng)作并運(yùn)動(dòng)同樣的距離，同時(shí)記錄拉伸載荷—拉伸距離曲線。根據(jù)所記錄的曲線計(jì)算試件剝開25mm～150mm范圍內(nèi)對應(yīng)的平均剝離載荷、最小剝離載荷和平均拉伸載荷。

圖4 滾筒裝置示意圖

3.2 180°剝離方法

3.2.1 儀器設(shè)備

（1）千分尺：用于試樣寬度的測量；

（2）拉伸試驗(yàn)裝置：具有適宜的負(fù)荷范圍，夾頭能以恒定的速率分離并施加力的裝置，該裝置應(yīng)配備有力的測量系統(tǒng)和指示記錄系統(tǒng)。力的示值誤差不超過2%。整個(gè)裝置的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該足夠地短，以不影響測量準(zhǔn)確性為宜，即當(dāng)膠接試樣被破壞時(shí)，所施加的力能被測量到。試樣的破壞負(fù)荷應(yīng)處于滿標(biāo)負(fù)荷的10%～80%之間。

（3）夾頭：夾頭之一能牢固的夾住剛性被粘物，并使膠接面平行于所施加的力。另一個(gè)夾頭如圖5所示，能固定住撓性被粘物，此夾頭是自校準(zhǔn)型的，因此所施加的力平行于膠接面，并與拉伸試驗(yàn)裝置的傳感器相聯(lián)。

3.2.2 試驗(yàn)過程

（1）試樣的準(zhǔn)備：試樣尺寸為25mm×350mm，沿橫向和縱向各裁取12條，分別測量橫向正面、橫向背面、縱向正面、縱向背面4組的剝離強(qiáng)度，每組6條試樣。試樣試驗(yàn)前應(yīng)在23℃±2℃、相對濕度50%±10%的條件中放置24h。

（2）試樣的安裝：將試樣一段剝開200mm左右，不應(yīng)超過225mm。把剝開的鋁材彎曲180°，固定在夾頭上，將另一端夾緊在另一個(gè)夾頭上。注意使夾頭間的試樣準(zhǔn)確定位，以保證所施加的拉力均勻的分布在試樣寬度上。

（3）剝離試驗(yàn)：試驗(yàn)機(jī)以100mm/min±10mm/min的速率勻速進(jìn)行拉伸，直至試樣至少被剝離125mm為止。根據(jù)所記錄的曲線計(jì)算試件剝開25mm～125mm范圍內(nèi)對應(yīng)的平均剝離載荷和最小剝離載荷

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 180°剝離裝置示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

分析了上述兩種試驗(yàn)的要求，由于滾筒剝離試驗(yàn)要求試樣兩端剝開一小段（大約20mm）以便夾持，且剝開距離至少150mm，而180°剝離試驗(yàn)要求試樣最小剝開距離為125mm。也就是說我們一根350mm的試樣做完滾筒剝離，還可以繼續(xù)做180°剝離。這樣不僅減少試樣不均一性帶來的誤差，增加試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，還可以提高試驗(yàn)效率，提高試樣的利用率。

3.3.1 儀器設(shè)備

（1）千分尺：用于試樣寬度的測量；

（2）材料試驗(yàn)機(jī)：滿足上述兩種試驗(yàn)方法要求的材料試驗(yàn)機(jī)；

（3）夾頭：滿足上述兩種試驗(yàn)方法要求的兩種夾頭；

3.3.2 試驗(yàn)過程

（1）試樣的準(zhǔn)備：試樣尺寸為25mm×350mm，取5批不同廠家鋁材厚度大于0.5mm的鋁塑復(fù)合板，沿橫向和縱向各裁取20條，分別測量橫向正面、橫向背面、縱向正面、縱向背面4組的剝離強(qiáng)度，每組5條試樣。試樣試驗(yàn)前應(yīng)在23℃±2℃、相對濕度50%±10%的條件中放置24h。

（2）試樣的安裝：分別按上述兩種方法安裝試樣。

（3）剝離試驗(yàn)：把試樣進(jìn)行編號(hào)，確保編號(hào)的唯一性。先按照滾筒剝離試驗(yàn)方法進(jìn)行滾筒剝離試驗(yàn)，試樣的剝開距離應(yīng)控制在150mm～180mm，試驗(yàn)結(jié)束記錄試驗(yàn)結(jié)果。將做過滾筒剝離的試樣按照180°剝離試驗(yàn)方法繼續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束記錄試驗(yàn)結(jié)果。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將上述的試驗(yàn)結(jié)果按照試樣編號(hào)進(jìn)行整理，可以得到關(guān)于180°剝離和滾筒剝離一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)100組如表1所示。經(jīng)過處理可以得出180°剝離。

和滾筒剝離的趨勢線y=4.075x+191.96相關(guān)性系數(shù)r=0.2864，且數(shù)據(jù)分布在y=36.85x-69.063(7.96≤x≤11.20)和y=36.85x-168.84(7.96≤x≤11.20)之間如圖6所示。

圖6 滾筒剝離強(qiáng)度與180°剝離強(qiáng)度關(guān)系圖

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，影響兩者相關(guān)性的因素有以下幾點(diǎn)：

（1）鋁塑復(fù)合板的鋁基材厚度以及牌號(hào)和狀態(tài)；

（2）鋁塑復(fù)合板所使用的高分子粘結(jié)膜的類型和厚度；

（3）鋁塑復(fù)合板的加工工藝；

（4）其他。

綜上所述：180°剝離和滾筒剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然具有一定的分布規(guī)律，但是兩者之間的相關(guān)性系數(shù)r=0.2864小于0.5說明兩者之間的相關(guān)性不強(qiáng)，所以不能用180°剝離取代滾筒剝離成為建筑幕墻用鋁塑復(fù)合板剝離強(qiáng)度的檢測方法。

[1]ASTM D1781-98（2004）膠粘劑攀緣卷筒剝離的試驗(yàn)方法

[2]GB/T2790-1995膠粘劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法擾性材料對剛性材料

[3]胡云林.中國建材科技，2009，5：6-9