基于汽車沖擊剝離不同強(qiáng)度的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能測(cè)試研究

許亞軍

摘要：本文主要針對(duì)汽車環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，就參數(shù)測(cè)試參數(shù)、增韌劑、環(huán)境溫度、粘接界面、微觀形貌等方面對(duì)沖擊剝離韌性的影響做了深入探析。結(jié)果表明，落錘質(zhì)量與沖擊初始速率參數(shù)設(shè)置對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)膠的性能影響并不顯著;添加增韌劑的結(jié)構(gòu)膠沖擊韌性較高;粘接界面對(duì)于沖擊剝離韌性的影響主要取決于增韌劑;在測(cè)試溫度較低的狀態(tài)下，能夠有效辨別普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。

關(guān)鍵詞：汽車;沖擊剝離強(qiáng)度;環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠

中圖分類號(hào)：TQ433文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）05-0009-03

1引言

膠粘劑性能在汽車穩(wěn)定與安全中的作用不容忽視，在膠固化之后，粘接強(qiáng)度是最基礎(chǔ)的力學(xué)指標(biāo)。汽車使用過程中需要全面應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜多變且惡劣的環(huán)境，為了防止出現(xiàn)車身金屬粘接失效的不良現(xiàn)象，衍生了特殊的耐碰撞結(jié)構(gòu)膠（CDA）。就固化的化學(xué)機(jī)理角度而言，CDA主要以環(huán)氧樹脂系列膠粘劑為主。而對(duì)此膠的耐碰撞性進(jìn)行評(píng)估的主要指標(biāo)是沖擊剝離韌度與沖擊吸收能量。

2實(shí)驗(yàn)

2.1材料

選用材料為DC00型冷軋鋼片材，尺寸是100mm×20mm×0.7mm，于寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn);普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠則為實(shí)驗(yàn)室自制;環(huán)氧樹脂則于長(zhǎng)春化工有限公司生產(chǎn);增韌劑為自制;雙氰胺于贏創(chuàng)德固賽化學(xué)有限公司生產(chǎn);固化促進(jìn)劑為美國(guó)空氣化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn);氣相二氧化硅為瓦克化學(xué)有限公司生產(chǎn);填料為江西一環(huán)礦產(chǎn)有限公司生產(chǎn)。

2.2儀器設(shè)備

選擇美國(guó)Flack Tek公司生產(chǎn)的Speed Mixer高速分散機(jī)以及美國(guó)Instron公司生產(chǎn)的CEAST9350落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，落錘質(zhì)量為40kg，沖擊速度為2m/s。

2.3制備工藝

把環(huán)氧樹脂、增韌劑、氣相白炭黑基于高速分散機(jī)進(jìn)行全面分散，然后依次添加固化劑、促進(jìn)劑、填料，分散到膠體充分均衡和細(xì)膩，然后真空攪拌脫泡大約10分鐘。

2.4試件制備

試件制備過程中，在各金屬片涂膠范圍的兩端固定耐高溫聚酰亞胺膜，尺寸為25mm×5mm×0.1mm，控制膠層的厚度是0.2mm。試樣放置到180℃的烘箱內(nèi)部進(jìn)行固化，30min之后再取出，在室溫狀態(tài)下靜置1d之后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求彎折，確保形成標(biāo)準(zhǔn)形狀。

2.5性能測(cè)試

就具體標(biāo)準(zhǔn)要求，制備對(duì)稱型與不對(duì)稱型試樣，就不同實(shí)驗(yàn)條件分組，選擇5個(gè)有效測(cè)試樣品。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)彎折成為規(guī)定形狀，以此對(duì)沖擊剝離韌度進(jìn)行測(cè)試。環(huán)境測(cè)試溫度非明確指定，都規(guī)定為常溫23℃，測(cè)試溫度則為-40℃與60℃，主要通過落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)環(huán)境箱供給。

3結(jié)果與討論分析

3.1韌性性能

就沖擊性能結(jié)果表述標(biāo)準(zhǔn)而言，力-位移曲線去除之前25%與之后10%，再進(jìn)行積分計(jì)算獲取平均剝離力，然后除以試件寬度，獲得沖擊剝離韌度。力-位移曲線積分計(jì)算之后，獲得沖擊吸收能力。對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)所相關(guān)測(cè)試方式的精確度，因?yàn)槿狈Χ囗?xiàng)實(shí)驗(yàn)室橫向?qū)Ρ闰?yàn)證，所以尚且不能明確定論。通過采用抗沖擊韌性不同的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行試件制備，基于-40℃進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，選出最具代表性數(shù)據(jù)制成曲線圖，具體如圖1所示。

曲線線性擬合曲線標(biāo)準(zhǔn)偏差與調(diào)整R值表征沖擊剝離韌度與吸收能量之間存在顯著的線性相關(guān)性，說明二者可以客觀定量反映試件抗沖擊韌性。本文以沖擊剝離韌度為標(biāo)準(zhǔn)表示材料韌性。

3.2沖擊時(shí)物理量變化

選取結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，以反映沖擊時(shí)重要物理量在時(shí)間影響的變化。落錘下落時(shí)，實(shí)際受力太過復(fù)雜，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析，設(shè)定豎直方向只受落錘重力與膠層造成的抗沖擊剝離力。

不同膠抗沖擊剝離力存在一定差異，就落錘重力而言，分別是超出重力、近似重力、小于重力狀態(tài)。就牛頓第二定律而言，落錘運(yùn)動(dòng)分別對(duì)應(yīng)的是勻減速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)，具體速率變化情況各不相同。其中在抗沖擊剝離力從小變大的趨勢(shì)下，速率與時(shí)間的關(guān)系則為從正向負(fù)轉(zhuǎn)變的變化趨勢(shì)。因?yàn)槁溴N運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能變化可以看作沖擊剝離力和重力共同作用帶來的結(jié)果。但是，沖擊剝離力為負(fù)功作用，重力為正功作用，而吸收能量為沖擊剝離力負(fù)功。

結(jié)構(gòu)膠沖擊剝離力各不一致，所吸收能量也存在顯著差異。由于力一時(shí)間變化曲線的一般特性是在破壞初始階段產(chǎn)生了大約2ms時(shí)間的劇烈波動(dòng)，后來又出現(xiàn)了大約10ms時(shí)間的平穩(wěn)狀態(tài)，這一部分沖擊剝離力并未發(fā)生太大變化，這就代表破壞是均衡性的。因?yàn)槁溴N沖擊位移比較固定，所以對(duì)此階段進(jìn)行詳細(xì)分析，所吸收能量和平均沖擊剝離力之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在試件被全方位破壞知乎，剝離力會(huì)快速縮減成0。就反復(fù)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息綜合可以看出，平穩(wěn)破壞的部分主要在曲線15%-19%之間。

所以，ISO11343標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)明確要求詳細(xì)記錄沖擊曲線上選擇位移15%-19%階段破壞的沖擊剝離力與所吸收能量。通過詳細(xì)分析可知，基于測(cè)試沖擊中所吸收能量與平均剝離力，可全面辨別結(jié)構(gòu)膠的韌性差異，以此有效評(píng)估膠的韌性。

3.3測(cè)試參數(shù)影響

落錘沖擊試驗(yàn)包含兩個(gè)硬件參數(shù)，即落錘質(zhì)量和沖擊初始速率。其中，落錘質(zhì)量以增加或縮減加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼數(shù)量，而沖擊初始速率則通過改變沖擊前落錘進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)的高度加以調(diào)整。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化問題，測(cè)試則應(yīng)選擇普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。落錘質(zhì)量與沖擊初始速率在測(cè)試結(jié)果中的影響具體如表1與表2所示。

3.4增韌劑影響

為了進(jìn)一步適應(yīng)流水線生產(chǎn)工藝需要，耐碰撞結(jié)構(gòu)膠一般會(huì)選擇設(shè)計(jì)成高溫固化，在焊裝施膠時(shí)，與漆面共同完成固化。為了增強(qiáng)沖擊剝離韌度，添加增韌劑，以此為固化物增添韌性。增韌劑類型各式各樣，最常用的是橡膠彈性體材料、納米粒子、核殼結(jié)構(gòu)粒子等等。

添加增韌劑的試件特性完全不同，選擇可以體現(xiàn)增韌劑效應(yīng)的沖擊曲線，其共性為曲線都具備顯著的平臺(tái)發(fā)展時(shí)期，這一時(shí)期作用力變化趨勢(shì)較小。但是也存在差異，有的是先快速出現(xiàn)高峰期，再進(jìn)行小幅度波動(dòng)，但是其他的峰型并不顯著，可看作是基于沖擊作用便經(jīng)歷了穩(wěn)定的破壞過程。而通過各種實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)氧膠在添加有效增韌劑之后，才能夠賦予結(jié)構(gòu)膠抗沖擊枠性。

就實(shí)驗(yàn)觀察分析，沖擊曲線可以定性定量反映試件的抗沖擊韌性，在遭遇破壞之后，粘接界面表層也會(huì)區(qū)分為兩種情況，即穩(wěn)定破壞與不穩(wěn)定破壞。一般來說，穩(wěn)定破壞主要發(fā)生在韌性測(cè)試件，以內(nèi)聚失效為主，不穩(wěn)定破壞主要發(fā)生在脆性或低韌性測(cè)試試件，以粘接失效或混合失效為主。

3.5環(huán)境溫度影響

材料韌性與環(huán)境溫度之間息息相關(guān)，溫度低，則脆性大。為驗(yàn)證此規(guī)律，選擇普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠為對(duì)象，測(cè)試常溫與-40℃狀態(tài)下的沖擊曲線。二者在常溫狀態(tài)下沖擊韌性都相對(duì)較好，具體如表3所示。

3.6粘接界面影響

環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠主要應(yīng)用在汽車車身焊裝中，金屬材料是冷軋鋼板，還會(huì)進(jìn)行鍍鋅鋼、電鍍鋼、高強(qiáng)度鋼板粘接。由于耐碰撞膠應(yīng)用基材為油面，為了確保粘接性良好，碰撞膠中的增韌劑則應(yīng)具備親油性。選擇普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠兩種結(jié)構(gòu)膠，以及三種不同基材進(jìn)行對(duì)稱型試件比較分析，即普通CRS、防銹油處理CRS、鍍鋅鋼片。就兩種結(jié)構(gòu)膠而言，基材表層進(jìn)行油浸漬處理，對(duì)比除油處理狀況，不論是峰型還是力都未出現(xiàn)顯著變化，代表兩種結(jié)構(gòu)膠的油耐受性與融合性較好。但是，基材轉(zhuǎn)變?yōu)殄冧\鋼，沖擊曲線則會(huì)產(chǎn)生巨大改變。盡管兩種結(jié)構(gòu)膠都添加了增韌劑，但是界面轉(zhuǎn)換為鍍鋅層之后，結(jié)果卻存在顯著差異。這代表不同界面屬性對(duì)于膠的沖擊玻璃韌度影響與增韌劑息息相關(guān)。因此，在選擇具體產(chǎn)品時(shí)，需要進(jìn)行匹配試驗(yàn)。

3.7微觀形貌

盡管比常溫與低溫狀態(tài)下，所吸收能力與沖擊剝離強(qiáng)度都會(huì)顯著降低，但是樣品依舊是內(nèi)聚破壞類型。但是，不同的是低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠處于常溫與低溫狀態(tài)下，受到?jīng)_擊，斷面均勻分布的斑塊按照從小到大的趨勢(shì)變化，紋路也越來越模糊。而普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠在常溫狀態(tài)下，受到?jīng)_擊，斷面均勻分布的斑塊也是按照從小到大的趨勢(shì)變化，但是在低溫狀態(tài)下，受到?jīng)_擊，斷面上會(huì)出現(xiàn)清晰的水平條紋，與脆性材料受外力作用裂紋迅速擴(kuò)大的特性相符。

4結(jié)論

綜上，按照ISO11343標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)汽車沖擊剝離不同強(qiáng)度的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠性能做了詳細(xì)分析，就參數(shù)測(cè)試參數(shù)、增韌劑、環(huán)境溫度、粘接界面、微觀形貌等方面對(duì)沖擊剝離韌性的影響進(jìn)行了深入探究。結(jié)果表明，落錘質(zhì)量與沖擊初始速率參數(shù)設(shè)置對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)膠的性能影響并不顯著，而不對(duì)稱型試件相對(duì)于對(duì)稱型試件的沖擊剝離韌性相對(duì)較大，而添加增韌劑的結(jié)構(gòu)膠沖擊韌性較高，粘接界面對(duì)于沖擊剝離韌性的影響主要取決于增韌劑，并且在測(cè)試溫度較低的狀態(tài)下，能夠有效區(qū)分普通環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與低溫抗沖擊環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。