溫度對單組分濕固化聚氨酯膠粘劑接頭剪切強度的影響

王元伍，王 艷，劉金鳳，劉 玉，劉民軍（.中　車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 300）

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溫度對單組分濕固化聚氨酯膠粘劑接頭剪切強度的影響

王元伍1，王 艷1，劉金鳳1，劉 玉2，劉民軍1
（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022）

摘要：利用準靜態(tài)拉伸實驗研究了溫度對聚氨酯類膠粘劑接頭剪切強度的影響關系。結果表明，聚氨酯膠粘劑剪切強度隨溫度升高而逐漸降低；二次多項式函數(shù)表達式能夠表達這種變化規(guī)律；影響聚氨酯類膠粘劑剪切強度隨溫度變化規(guī)律的3個主要測點溫度為-40 ℃、0 ℃和90 ℃。最后提出了修正系數(shù)的概念，以便指導聚氨酯類膠粘劑在工程結構的粘接設計。

關鍵字：聚氨酯膠粘劑；剪切強度；溫度；準靜態(tài)拉伸試驗

近年來，隨著“節(jié)能環(huán)保、低碳高效”設計理念的不斷加深與重視，各種新型輕質材料如鎂、鋁合金材料[1，2]，復合材料[3]等在工程結構中的使用越來越廣泛。傳統(tǒng)的材料連接技術如焊接、鉚接等受到了很大的限制。在此情況下，粘接技術由于其適用材料廣泛、可實現(xiàn)異種材料連接、減輕結構質量、密封性好等優(yōu)點，在工程結構的設計生產中占據(jù)越來越重要的地位[4～9]。

工程結構在實際工作中會面臨著環(huán)境溫度的變化，高溫易造成粘接膠體軟化，低溫易導致粘接膠體變硬變脆，粘接強度會隨膠體內部結構變化而改變。粘接強度在不同溫度下的差異性促使在工程粘接結構的初始設計階段要充分考慮溫度因素的影響，以保證在各種使用溫度環(huán)境下工程結構粘接接頭的可靠性與安全性[10～12]。

聚氨酯類粘接劑由于具有優(yōu)異的抗剪切強度和抗沖擊特性，在許多工程結構如汽車、軌道客車、航天飛機中得到了廣泛的應用。本文選取一款應用廣泛的聚氨酯類粘接劑，并選取接頭剪切強度作為研究對象，通過實驗測試研究了溫度對聚氨酯類粘接劑的影響規(guī)律，并對這種影響規(guī)律進行深入的數(shù)學統(tǒng)計處理，以便于指導聚氨酯類粘接劑在工程粘接結構中的實際應用。

1　實驗部分

1.1 粘接試件材料

選取的聚氨酯類膠粘劑為sikaflex-265，該膠粘劑是一種單組分濕固化聚氨酯膠粘劑，其通過與大氣中的濕氣反應固化形成一種永久性的彈性物質，被廣泛用于客車、卡車及列車車窗與車體結構連接。其Tg（玻璃轉化溫度）為-45 ℃，使用溫度范圍為-40～90 ℃。粘接試件的基體材料選用車體結構中經常使用的6005A型鋁合金，如圖1所示。

1.2 粘接試件工裝夾具為了保證粘接試件垂向和側向表面的平行度，本文設計一套工裝夾具，如圖2所示，利用側向的2個旋轉手柄保證試件側向表面的平行度，通過垂向的旋轉手柄保證試件垂向表面的平行度以及膠層厚度的均勻性。

圖1　粘接試件示意圖及其結構尺寸Fig.1 Shape and dimension of bonding specimen（單位：mm）

圖2　粘接試件的工裝夾具Fig.2 Work fixture of bonding specimens

1.3 粘接試件的制備

試件的粘接需要在穩(wěn)定的環(huán)境[溫度（23±3）℃，濕度（50%±5%）]下進行，具體操作過程為：①使用清洗劑對鋁合金粘接表面進行清潔；②用80目的砂紙沿45°方向交叉打磨粘接表面；③再次使用清洗劑清潔打磨后的粘接表面；④使用活化劑擦拭粘接表面，對其進行活化處理；⑤在粘接表面按某一固定方向涂抹一層底漆；⑥在粘接表面涂膠，并利用工裝夾具完成粘接；⑦將試件放置在水平擺件平臺上固化28 d后，清除余膠，得到實驗測試所需的粘接試件。

1.4 粘接試件實驗測試

為了保證能準確測試出剪切強度隨溫度的變化規(guī)律，本文首先選取該膠粘劑的2個臨界使用溫度-40 ℃、90 ℃，然后在其使用溫度范圍內大致每隔20 ℃選取1個溫度測點，最終所選溫度測點為-40、-20、0、25、50、70、90 ℃。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每種溫度測點下粘接試件的樣本數(shù)目為15。實驗測試所需的高、低溫環(huán)境由高低溫濕熱實驗箱內部的電熱絲加熱及空調壓縮機制冷實現(xiàn)，利用智能控制器可以將實驗溫度控制在預定溫度值（±0.5）℃內。實驗測試前，粘接試件需要放置在實驗箱內30 min以上，以保證聚氨酯膠粘劑膠體內部能夠達到預定實驗溫度。

實驗測試時，粘接試件的2端通過萬向節(jié)與拉伸實驗機相連，如圖3所示，以保證測試過程中的實驗力可以沿著試件軸線中心通過，消除非軸向的作用力。拉伸實驗機以5 mm/min的恒定速度拉伸試件直至破壞，記錄粘接試件的破壞應力與破壞類型。

2　結果與討論

2.1 剪切強度隨溫度變化規(guī)律

由于實驗測試的主要內容為膠粘劑的破壞應力，因此只選擇破壞類型為內聚破壞的粘接試件，其余破壞類型的實驗數(shù)據(jù)將被剔除，然后將7個溫度測點下的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，得到如圖4所示的膠粘劑破壞應力隨溫度變化的曲線。

圖3　試件通過萬向節(jié)與實驗機連接Fig.3 Connection of specimen and testing machine via universal joint

由圖4可知，隨著溫度的提高，膠粘劑的平均剪切應力逐漸下降，最大下降幅度約為71.4%，由此可見，溫度對于膠粘劑剪切強度的影響非常大。溫度越低時，膠粘劑的破壞應力下降越明顯，隨著溫度的升高，其下降幅度逐漸趨于平緩。

圖4　剪切應力隨溫度的變化曲線Fig.4 Variation curve of shear stress as function of temperature

計算膠粘劑在任意溫度下的剪切強度對工程設計而言是非常重要的。為此，本文利用最小二乘法對圖4所示的實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合。

2.2 最小二乘法擬合曲線

首先假定x代表溫度，y代表膠粘劑的剪切應力，則圖4所示的7個實驗數(shù)據(jù)點可以表示為。此外，假設擬合曲線的基本表達形式為：

其中，為擬合曲線的待定系數(shù)，可以是x的任意函數(shù)形式。

將實驗數(shù)據(jù)點中的代入式（1），則：

假設，則有：

將式（3）寫成矩陣形式為：R=B-Y，其中：

根據(jù)最小二乘法的原理，可得：

根據(jù)多元函數(shù)取極值的必要條件，可得：

其中，表示對求偏導數(shù)。若令：

則由式（3）可得：

又由式（6）可得：

這樣就得到用矩陣表示的擬合曲線系數(shù)，即：

根據(jù)圖4所示實驗數(shù)據(jù)的大致分布規(guī)律，本文所選取的擬合曲線的基本函數(shù)表達式為：

倒數(shù)函數(shù)：

其所對應的實驗數(shù)據(jù)點則轉換為：

將圖4所示的7個實驗數(shù)據(jù)點進行轉換處理，分別得到，

并分別代入公式（10）中，即可分別求得3條擬合曲線的系數(shù)值，如圖5所示，同時可以計算出每條擬合曲線的殘差平方和值與擬合優(yōu)度值，如表1所示，用以比較3條擬合曲線的擬合精度。

由表1可知，3條擬合曲線的殘差平方和值都比較小，擬合優(yōu)度值也都非常接近于1，因此3種函數(shù)表達式均具有比較高的擬合精度。其中，多項式函數(shù)的擬合精度更優(yōu)于另外2種函數(shù)表達式，而且也更為簡便，因此，選擇多項式函數(shù)表達式作為膠粘劑剪切強度隨溫度變化的理想表達式。

圖5　3條擬合曲線及其函數(shù)表達式Fig.5 Three fitting curves and their function expressions

表1　3種函數(shù)表達式的殘差平方和與擬合優(yōu)度Tab.1 Residual sum of squares and fitting goodness of three function expressions

2.3 三點擬合

二次多項式系數(shù)值的確定最少僅需3個數(shù)據(jù)點即可。如果能夠在圖4所示的7個溫度測點中找到3個溫度測點，并且根據(jù)這3個溫度測點下的實驗數(shù)據(jù)值所擬合出的曲線能夠比較準確的反映膠粘劑剪切強度隨溫度的變化規(guī)律，則可以減少實驗溫度測點的數(shù)目，提高工作效率。

從7個溫度測點中任意選出3個有35種不同的組合形式，為了提高研究效率，本文編寫了一段FORTRAN語言程序，用于計算35種溫度測點組合下的擬合曲線表達式，并且統(tǒng)計7個溫度測點的實驗數(shù)據(jù)與每條擬合曲線上的對應數(shù)據(jù)的殘差平方和，以便于比較各條曲線的擬合精度，如表2所示。

由表2可知，溫度測點組合為[-40 0 90]時，擬合曲線的殘差平方和相對最小，當溫度測點組合分別為[-40 -20 90]、[-40 25 90]、[-40 50 90]和[-40 70 90]時，擬合曲線的殘差平方和也比較小，由此可見，膠粘劑的2個臨界工作溫度測點對于擬合曲線的精度非常重要。理論上當?shù)?個溫度測點越靠近溫度范圍的中心點時，曲線擬合應該越精確，即[-40 25 90]的溫度測點組合，但從圖4可以發(fā)現(xiàn)，低溫時粘接強度隨溫度的變化幅度更大一些，因此溫度較低的測點數(shù)據(jù)則更容易決定擬合曲線的走勢，這樣就可以解釋[-40 0 90]的測點組合比[-40 25 90]的擬合曲線更為精確這一現(xiàn)象。而當溫度測點組合為[-40 -20 0]、[-20 0 25]、[25 50 70]、[25 50 90]、[0 25 50]和[-40 0 25]時，擬合曲線的殘差平方和都比較大，由此可見，當溫度測點較為集中，擬合曲線的擬合精度較差。因此，對于該類膠粘劑，應該盡量避免將溫度測點集中在某一局部溫度段范圍內。圖6所示為溫度測點組合為[-40 0 90]時的擬合曲線及曲線表達式。

表2　35條擬合曲線的殘差平方和值Tab.2 Residual sum of squares of 35 fitting curves

圖6　溫度測點組合為[-40 0 90]的擬合曲線及其表達式Fig.6 Fitting curve and its expression of temperature testing points combination [-40 0 90]

2.4 曲線修正

前文中所得到的擬合曲線僅能夠反映膠粘劑剪切強度隨溫度的變化規(guī)律，并不能直接用于指導工程粘接結構的強度設計。由圖6還可以發(fā)現(xiàn)，部分實驗數(shù)據(jù)點仍分布于擬合曲線的下方，即部分粘接試件的測試破壞應力值要小于通過擬合曲線所得到的數(shù)據(jù)值。因此需要選取一個修正系數(shù)值對該擬合曲線進行修正，以保證在任意溫度下膠粘劑的許用應力都不大于其破壞應力。

由于溫度對粘接強度的影響研究方面的相關文獻資料較少，該修正系數(shù)的取值并無資料與標準可查。因此本文初步擬定一個修正系數(shù)的計算方法，即將7個溫度測點下的全部可用實驗數(shù)據(jù)值與擬合曲線上的該溫度測點所對應的數(shù)據(jù)值相比，取最小比值為修正系數(shù)值，如表3所示。

表3　7個溫度測點下實驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的最小比值Tab.3 Minimum ratio of experimental data and fitting data under seven temperature testing points

由表3可知，7個溫度測點下相對最小比值中最小值為0.85，因此，選定該膠粘劑剪切強度隨溫度變化曲線的修正系數(shù)值為0.85，并對圖6所示曲線進行修正，如圖7所示，得到修正后的曲線可用于指導高速動車組粘接結構的工程設計。

3　結語

通過實驗測試了一款聚氨酯類膠粘劑在7種不同溫度下的剪切強度，得到了膠粘劑剪切強度隨溫度升高而逐漸降低的變化規(guī)律。利用最小二乘法對該變化規(guī)律進行曲線擬合，通過3種函數(shù)表達式的對比分析，選定二次多項式函數(shù)表達式作為膠粘劑剪切強度隨溫度變化的理想表達式。然后通過35種不同溫度測點組合的對比分析，得到了影響膠粘劑剪切強度隨溫度變化規(guī)律的3個最主要的溫度測點，即-40 ℃、0℃和90 ℃。最后，對擬合曲線進行了修正處理，使得修正后的曲線可用于指導聚氨酯類膠粘劑在工程結構中的粘接設計。

圖7　修正后的擬合曲線及其表達式Fig.7 Corrected fitting curve and its expression

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Effect of temperature on shear strength of moisture curable polyurethane adhesive joints

WANG Yuan-wu1, WANG Yan1, LIU Jin-feng1, LIU Yu2, LIU Min-jun1
(1.CRRC TANGSHAN Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063035, China; 2.State Key Laboratory of Vehicle Simulation and Control, Jilin University, Changchun, Jilin 130022, China)

Abstract：The effect of temperature on shear strength of polyurethane adhesive joints was studied by quasi static tensile tests. The results showed that the shear strength of the polyurethane adhesive decreases with increasing temperature; the variation law could be expressed by quadratic polynomial expression. The three main temperature points of the variation law of shear strength as a function of temperature were -40℃, 0℃ and 90℃. Finally, a simple method for determining the correction coefficient was proposed for the engineering application of polyurethane adhesive shear strength as function of temperature in engineering bonding structures.

Key words：polyurethane adhesive; shear strength; temperature; quasi-static tensile test

作者簡介：王元伍（1981-），男，碩士研究生。從事方向：軌道客車粘接結構設計及粘接工藝研究。E-mail：wangyuanwu@tangche.com。

收稿日期：2015-12-30

中圖分類號：TQ433.4+32

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）04-0059-06