彈性膠粘劑的耐久性研究

王鵬飛，王明麗，馬文游，孫澤志，楊江橋

（西卡中國有限公司，江蘇 蘇州 215121）

車輛用膠粘劑粘接的長期使用性和耐久性，在接頭的整個設(shè)計和使用壽命中都至關(guān)重要。西卡公司跟蹤測試20年的粘接組件，得到的機械性能和粘接性能與施工初期相差無幾，故施工的正確性及產(chǎn)品的合理選擇是膠粘劑在車輛上經(jīng)久耐用的根本所在。

彈性膠粘劑大多是高分子產(chǎn)品，因此在一定程度上會發(fā)生老化，所以在膠接設(shè)計時必須考慮到這一復(fù)雜過程中的各種影響因素。本研究將討論影響彈性膠粘劑各種老化的因素[1]，其中化學(xué)物質(zhì)、溫度、自然環(huán)境和粘接基材等[2]對膠粘劑的老化影響尤為突出。

1 化學(xué)物質(zhì)的影響

車輛上的膠粘劑尤其是外露的彈性密封膠體會受到不同化學(xué)品的影響，一般以水，水溶液及清潔劑等化學(xué)品接觸為主。膠粘劑具有一定的耐化學(xué)性，在一段時間內(nèi)對化學(xué)物質(zhì)有抵抗作用，故在正確工藝設(shè)計條件下，是可以保證在壽命期內(nèi)車輛安全使用的。

例如，高鐵、客車上使用的聚氨酯填縫膠，在正確的設(shè)計原則指導(dǎo)下，使用10年以上的膠體與初始性能對比，其性能指標(biāo)相差不會超過20%[3]。

當(dāng)膠粘劑與金屬膠接時，防腐就顯得至關(guān)重要。由于彈性膠粘劑與許多金屬腐蝕的保護系統(tǒng)是兼容的，所以彈性粘接體系對于金屬防腐是有利的。

如果膠粘劑長期暴露于化學(xué)品區(qū)域中，或在特殊環(huán)境中，那么對于是否使用膠粘劑和使用何種膠粘劑需要進行多方面評估才能決定。將膠粘劑Sikaflex-360浸泡于機械潤滑油和齒輪潤滑油中，采用邵氏A硬度計進行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 Sikaflex-360耐油性邵氏A硬度測試Tab.1 Oil resistance tests of Sikaflex-360 for Shore A hardness

由表1可知：Sikaflex-360的耐機器潤滑油性能要比耐齒輪潤滑油性能優(yōu)異，故在選擇長期暴露于齒輪潤滑油的應(yīng)用中選用Sikaflex-360并不合適。

將膠粘劑Sikaflex-221、Sikaflex-252進行耐酸、耐堿性能測試，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：酸、堿化學(xué)物質(zhì)對膠粘劑的耐久性存在影響，且化學(xué)物質(zhì)不同，對膠粘劑耐久性的影響程度亦有所不同。

2 溫度的影響

車輛上使用膠粘劑的粘接技術(shù)與機械固定技術(shù)相比，膠粘劑耐溫性通常是可以滿足車輛運行環(huán)境的要求，其耐溫性幾乎與車內(nèi)的非金屬塑料件接近。但在高溫條件下長期使用時，膠接強度會有一定的衰減，所以在膠接設(shè)計時應(yīng)該考慮溫度的影響因素。另外，在膠粘劑膠接設(shè)計時還必須考慮到額外的機械防護措施。因為當(dāng)環(huán)境溫度驟然升高時，如發(fā)生火災(zāi)事故等，超過250 ℃就會導(dǎo)致膠粘劑膠接失效，若有機械防護措施便可大大減少損失與傷害[4]。 將Sikaflex-265、Sikaflex-255膠 粘劑在60 ℃條件下進行耐熱性測試，結(jié)果如圖1、圖2所示（圖中60 ℃1 m即將膠粘劑樣品放置在60 ℃環(huán)境中30 d后測試）。

表2 Sikaflex-221、Sikaflex-252耐酸堿測試Tab.2 Acid and alkali resistant tests of Sikaflex-221 and Sikaflex-252

圖1 Sikaflex-265長期60 ℃下剪切性能測試Fig.1 60℃ ageing tests of Sikaflex-265 for lap-shearing property

圖2 Sikaflex-255 長期60 ℃下剪切性能測試Fig.2 60℃ ageing tests of Sikaflex-255 for lap-shearing property

由圖1、圖2可知：膠粘劑Sikaflex-265、Sikaflex-255可以在60 ℃的溫度下長期使用，其粘接性能穩(wěn)定，粘接強度變化不大。

3 自然環(huán)境的影響

自然環(huán)境因素主要是指太陽光的紫外輻射及自然環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)。對于太陽光的照射，主要關(guān)注紫外輻射對膠粘劑外露部分粘接透明材料的影響。紫外光的能量較高，這種高能量輻射對膠體表面會造成損害。所以外露的填縫膠和粘接透明或半透明基材的膠粘劑，需要采用特殊配方，使用額外的防護。在外露的填縫劑配方中通常需加入抗紫外添加劑，以吸收紫外光的能量，減少對膠體表面的損傷。對于紫外光的影響，人工老化和自然老化可以模擬對比出膠粘劑的性能，如表3所示。

表3 Sikaflex-221WR、Sikaflex-221內(nèi)部評估耐紫外實驗Tab.3 QUV test of Sikaflex-221WR and Sikaflex-221

對于粘接透明、半透明的基材，除硅酮膠以外，都必須保護膠粘劑和基材之間的粘接層，不受紫外光輻射的破壞。一般透明、半透明基材粘接層會有屏蔽層，通常為陶瓷印邊、裝飾條或不透明的涂料等。在進行粘接時，建議測試基材的透光率，如果基材的透光率在使用范圍以上，還建議使用不透光的黑色底涂做2次保護。同樣對于該應(yīng)用，西卡的人工老化和自然老化的數(shù)據(jù)表明，在正確設(shè)計膠接系統(tǒng)的情況下，自然環(huán)境下使用20年后，仍然粘接良好，割膠試驗表明為膠粘劑內(nèi)聚破壞，如圖3、圖4所示。

圖3 Sikaflex-265浮法玻璃粘接測試Fig.3 Sikaflex-265 adhesion test on float glass

圖4 Sikaflex-265陶瓷印邊玻璃粘接測試Fig.4 Sikaflex-265 adhesion test on ceramic glass

4 粘接基材

關(guān)于基材對彈性膠粘劑耐久性的影響，下面列舉3種常用且重要的基材加以說明。

熱塑性塑料：熱塑性塑料的特點是具有內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力在某種程度上源于制造工藝[5]。當(dāng)這些材料接觸到化學(xué)品（尤其是溶劑）時，可能會產(chǎn)生開裂，這種現(xiàn)象稱作應(yīng)力開裂。當(dāng)基材與膠粘劑黏合為一體時，基材因應(yīng)力而開裂，其開裂程度會對膠粘劑的粘接性和耐久性產(chǎn)生影響。所以在這些熱塑性塑料上使用膠粘劑時需進行測試，并且在設(shè)計時需考慮使用正確模量、無溶劑的膠粘劑，以減少外界對塑料額外的應(yīng)力。

復(fù)合材料：材料收縮是指在類似玻璃鋼制品一類的復(fù)合材料上使用膠粘劑，材料本身在固化過程中會發(fā)生一個持續(xù)數(shù)周的收縮[6]。這些材料制成的部件不能在制造后立即使用膠粘劑，因為在粘接后，基材發(fā)生的收縮會產(chǎn)生持續(xù)的應(yīng)力，這些應(yīng)力和通常使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力總和可能會超過膠粘劑形變所能吸收的應(yīng)力范圍，從而使粘接過早破壞，減少膠粘劑的使用壽命，影響其耐久性。因此，在對這類材料進行粘接時，可以進行數(shù)小時的熱處理，使其達到穩(wěn)定形態(tài)后，再進行粘接。

金屬材料：金屬材料的缺陷是在接觸到氧氣和水的情況下，可能會有腐蝕現(xiàn)象，所以在使用金屬材料時都需要做防腐處理。防腐處理包括防腐涂層或其他一些電鍍技術(shù)。對于粘接金屬的膠粘劑耐久性影響，除了膠粘劑與基材本身的粘接性外，還有金屬本身的腐蝕，若金屬腐蝕，本體遭到破壞，粘接體系也會隨之被破壞，從而影響膠粘劑的耐久性。故金屬粘接體系耐久性的前提是要有較為穩(wěn)定的金屬防腐體系。

綜上所述，在車輛上使用膠粘劑，須從諸多方面進行考證、測試和研究，方能得出最合適、最高效以及最經(jīng)久耐用的粘接方案。

[1]Sika AG.Elastic bonding Second revised edition[A]//2006 SV Corporate Media GmBH,D-80992 Munich,Germany[C].

[2]曲軍.粘接技術(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[A]//第十八屆中國膠粘劑和膠粘帶行業(yè)年會報告[C].2015.

[3]Sika AG.Sika Transpiration training course.

[4]Pizzi A,Mittal K L,Pizzi Anto.Handbook of adhesive technology[M].Marcel Dekker Inc,2003,224-231.

[5]鄭道德.塑料工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)手冊[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007,32-33.

[6]鄭道德.塑料工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)手冊[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007,623-625.