某型膠粘劑加速貯存試驗(yàn)及壽命評(píng)估

胡恩來(lái)，陳津虎，胡紹華，宮曉春，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

某型膠粘劑加速貯存試驗(yàn)及壽命評(píng)估

胡恩來(lái)，陳津虎，胡紹華，宮曉春，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

目的 評(píng)估某型膠粘劑的壽命。方法 通過(guò)恒定應(yīng)力試驗(yàn)方法對(duì)某膠粘劑進(jìn)行三個(gè)不同應(yīng)力量級(jí)的高溫加速貯存試驗(yàn)。結(jié)果 膠粘劑在100，80，60 ℃三種高溫老化溫度下的老化90 d后的剪切強(qiáng)度均明顯大于初始剪切強(qiáng)度12.225 MPa。結(jié)論 高溫老化過(guò)程中，膠粘劑發(fā)生了明顯的退化現(xiàn)象。溫度越高，性能退化越快。由性能退化曲線擬合得到了膠粘劑高溫老化的加速因子，評(píng)估了膠粘劑的常溫貯存壽命至少為17.1年。

膠粘劑；加速貯存試驗(yàn)；恒定應(yīng)力；加速因子；壽命評(píng)估

膠粘劑作為一類高分子材料[1—3]，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、汽車、電子、制鞋、紡織、塑料、木材、光學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、航天航空、海洋運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著對(duì)材料性能要求的提高，膠粘劑的老化失效問(wèn)題日益嚴(yán)重，迫切需要進(jìn)行大量的膠粘劑材料環(huán)境老化的基礎(chǔ)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)其環(huán)境行為與失效規(guī)律的研究[4—11]報(bào)道甚少，遠(yuǎn)未達(dá)到與材料實(shí)際應(yīng)用相適應(yīng)的水平，極大限制了膠粘劑新材料的開發(fā)與應(yīng)用[12]。在長(zhǎng)期庫(kù)房貯存過(guò)程中，膠粘劑和其他非金屬材料，往往是產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，它們?cè)谫A存過(guò)程中會(huì)發(fā)生老化，性能下降甚至失效，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。為了探索膠粘劑材料的貯存壽命，文中對(duì)某膠粘劑進(jìn)行了加速貯存[13]老化研究。

1　試驗(yàn)及數(shù)據(jù)

膠粘劑試片采用 LY12-CZ鋁合金試片進(jìn)行粘接，試片的具體尺寸如圖1所示，試片尺寸為(100± 0.25)mm×(25±0.25)mm×(1.6±0.1)mm，膠水粘接尺寸為(25±0.25)×(12.5±0.25)mm，膠層厚度為0.2 mm，粘結(jié)面進(jìn)行噴砂處理，具體的試片加工方式滿足GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》要求。

圖1 膠粘劑試片F(xiàn)ig.1 Adhesive specimens scheme

不同老化溫度下膠粘劑剪切強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系如圖 2所示。高溫加速老化試驗(yàn)前隨機(jī)選取了5片膠粘劑試片進(jìn)行常溫下的拉伸剪切試驗(yàn)，測(cè)得膠粘劑試片的初始剪切強(qiáng)度為12.225 MPa。對(duì)全部140片膠粘劑試片進(jìn)行100 ℃環(huán)境條件下貯存48 h的預(yù)處理后[14]，將全部膠粘劑試片隨機(jī)分成3組，編號(hào)后分別置于3個(gè)高溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行為期90 d的高溫加速老化試驗(yàn)，三組試驗(yàn)的老化溫度分別為100，80，60 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中定期地從試驗(yàn)箱中取出膠粘劑試片，每次取出5片，常溫放置24 h后對(duì)其進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，獲取剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

圖2 膠粘劑高溫老化過(guò)程中的剪切強(qiáng)度變化曲線Fig.2 The shear strength curves of adhesive on high temperature aging process

2　分析與計(jì)算

2.1 分析與討論

由圖2可以看出，100 ℃高溫老化過(guò)程中，膠粘劑的剪切強(qiáng)度在老化前7天顯著增大，第7天之后明顯減小。80，60 ℃高溫老化過(guò)程中也出現(xiàn)了這種先固化而后性能退化的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)[15]一致。這是因?yàn)樽畛醯哪z粘劑固化進(jìn)行得不完全，所以高溫老化前期膠粘劑又發(fā)生了繼續(xù)固化，從而提高了剪切強(qiáng)度。之后隨著高溫老化的進(jìn)行，膠粘劑受熱老化的影響，發(fā)生了降解，其剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降。由圖2還可以看出，100 ℃和80 ℃高溫老化過(guò)程中，膠粘劑剪切強(qiáng)度在老化時(shí)間分別進(jìn)行到40，90 d時(shí)又出現(xiàn)了第二次峰值，這是因?yàn)樵诟邷乩匣^(guò)程中，之前未固化部分的膠粘劑，隨著周圍已固化部分膠粘劑的不斷降解，被逐漸暴露出來(lái)，然后又發(fā)生了再次固化，剪切強(qiáng)度也因此得到了再次提高。

如圖2所示，膠粘劑在100，80，60 ℃三種高溫老化溫度下的老化90 d后的剪切強(qiáng)度均明顯大于初始剪切強(qiáng)度12.225 MPa。這說(shuō)明該型膠粘劑具有較好的耐高溫老化性能。比較三種溫度下膠粘劑在第一次固化后的剪切強(qiáng)度性能退化速率，見(jiàn)表1?？梢钥闯?，溫度越高，退化速率越快。

表1 膠粘劑剪切性能退化數(shù)據(jù)Table 1 The shear performance degradation data of adhesive

2.2 加速因子及壽命

根據(jù)GJB92.2—86《熱空氣老化法測(cè)定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則——第二部分：統(tǒng)計(jì)方法》，對(duì)膠粘劑材料進(jìn)行老化后性能數(shù)據(jù)的處理和貯存壽命的統(tǒng)計(jì)外推評(píng)估。

假定膠粘劑在高溫老化過(guò)程中，其性能變化指標(biāo)P與老化時(shí)間τ的關(guān)系用式（1）描述：

式中：P為性能變化指標(biāo)，即膠粘劑的剪切強(qiáng)度；τ為老化時(shí)間，d；K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)，1/d；A為常數(shù)；α為時(shí)間指數(shù)（范圍：0～1）。

按照上述經(jīng)驗(yàn)式，根據(jù)試驗(yàn)獲取的一系列材料性能P和老化時(shí)間τ數(shù)據(jù)，可擬合得到性能變化速度常數(shù)K，即材料的表觀老化速率常數(shù)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在一定的溫度范圍內(nèi)，材料的性能變化速度常數(shù)K與老化溫度T的關(guān)系服從阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：

式中：T為絕對(duì)溫度，K；E為表觀活化能，J/mol；Z為頻率因子；R為氣體常數(shù)，J/(K·mol)。

根據(jù)Arrhenius方程，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關(guān)系，由此可通過(guò)擬合外推得到其他溫度條件下的材料老化速率[16]。

按照式（1）和式（2），結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)編程計(jì)算得到α為0.311。當(dāng)α為0.311時(shí)，擬合得到式（1）和式（2）的其他參數(shù)，見(jiàn)表2。將表2中的參數(shù)代人式（2）計(jì)算得到常溫（25 ℃）下膠粘劑材料的性能變化速度常數(shù)K0為0.086 02。

表2 公式（1），（2）的擬合參數(shù)Table 2 The fitting parameters of formula (1) and (2)

當(dāng)不同老化溫度下，性能參數(shù)P相等時(shí)，式（1）可變?yōu)椋?/p>

由式（3）計(jì)算得到膠粘劑在100，80，60 ℃高溫老化相對(duì)于常溫（25 ℃）貯存的加速因子分別為 69.5，27.5，9.28。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該型膠粘劑在100 ℃環(huán)境條件下高溫老化90 d仍然不失效，結(jié)合加速因子，計(jì)算得到該型膠粘劑的的壽命至少滿足6255天，即17.1年。

3　結(jié)論

通過(guò)加速貯存老化試驗(yàn)獲得了某膠粘劑在不同溫度下的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速貯存過(guò)程中的拉伸剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)及其擬合結(jié)果表明：

1）膠粘劑在加速老化過(guò)程中發(fā)生了明顯的退化現(xiàn)象。貯存溫度越高，膠粘劑性能退化越快。

2）膠粘劑在100，80，60 ℃環(huán)境條件下貯存相對(duì)于常溫貯存的加速因子分別為69.5，27.5，9.28。

3）評(píng)估得到膠粘劑的常溫貯存壽命至少能達(dá)到17.1年。

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Storage Accelerated Aging Test and Life Assessment of an Adhesive

HU En-lai, CHEN Jing-hu, HU Shao-hua, GONG Xiao-chun, HU Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To evaluate life of an adhesive. Methods Storage accelerated aging test of an adhesive was conducted in three different temperatures by using constant stress test method. Results After aging at temperatures of 100, 80 and 60 for ℃90 days, the shear strength of the adhesive became much higher than initial 12.225 MPa. Conclusion Marked phenomena of performance degradation are found on the adhesive in the aging process. The higher the temperature, the faster the performance degradation. Accelerating factors of the adhesive in high temperatures are obtained by fitting the performance degradation curves. Finally, storage life of the adhesive at room temperature is evaluated up to 17.1 years at least.

adhesive; accelerated storage test; constant stress; accelerating factor; life assessment

2016-05-26；Revised：2016-06-18

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.024

TJ089；TQ430

A

1672-9242(2016)05-0147-04

2016-05-26；

2016-06-18

胡恩來(lái)（1984—），男，北京人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境可靠性、加速貯存試驗(yàn)技術(shù)。

Biography：HU En-lai（1984—）， Male， from Beijing， Doctor， Engineer， Research focus: environment reliability & accelerated storage test techniques.