丙烯酸泡棉壓敏膠耐環(huán)境性能測(cè)試分析

舒曉寧

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

目前汽車行業(yè)廣泛采用膠粘劑、膠帶替代傳統(tǒng)的焊接、鉚接等工藝。丙烯酸泡棉壓敏膠以高密度彈性發(fā)泡體為基材，因?yàn)槠渚哂辛己玫恼辰有阅堋⒚芊庑阅?、緩沖性能被大量應(yīng)用在汽車外飾件固定中，如：車身護(hù)板、車身鍍鉻裝飾件、銘牌等[1]。由于外飾件的材質(zhì)多為工程塑料，其熱膨脹系數(shù)高于車身鈑金的熱膨脹系數(shù)[2]，因此外飾件所采用的雙面壓敏膠除了對(duì)膠帶粘貼的剝離強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和持久性等有一定要求外，還應(yīng)具備優(yōu)良的耐環(huán)境性能。文章考察了各種環(huán)境條件對(duì)壓敏膠粘接性能的影響，測(cè)試了壓敏膠的剝離強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度，對(duì)其粘接性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，旨在優(yōu)化篩選過程中的試驗(yàn)，減少壓敏膠試驗(yàn)的工作量。

1 粘附及失效機(jī)理

壓敏膠是一種同時(shí)具備液體粘性和固體彈性的粘彈性體[3]3。壓敏膠主要成分為高分子，當(dāng)高分子材料在使用溫度范圍為半固態(tài)時(shí)，就呈現(xiàn)出特有的粘彈特性[4]。壓敏膠的粘彈性與膠粘劑的聚合工藝、配方、使用環(huán)境、粘貼工藝密不可分。在實(shí)際應(yīng)用中，壓敏膠膠接接頭的強(qiáng)度主要取決于2 個(gè)方面：1）膠粘劑本身的內(nèi)聚力；2）膠粘劑與被粘物之間的粘附力[5]。當(dāng)內(nèi)聚力失效時(shí)會(huì)出現(xiàn)膠層破壞，有殘膠滯留；粘附力失效時(shí)會(huì)出現(xiàn)界面粘合破壞，表現(xiàn)為沒有殘膠。2 種失效同時(shí)發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)混合破壞。

2 壓敏膠性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)條件

對(duì)壓敏膠性能進(jìn)行測(cè)試的根本目的在于檢測(cè)各種環(huán)境條件下壓敏膠的粘接是否會(huì)失效。根據(jù)汽車外飾件所處的環(huán)境，模擬了汽車在高溫、低溫、高溫高濕以及清洗劑環(huán)境下的情況，以考察環(huán)境因素對(duì)壓敏膠性能的影響。試驗(yàn)的具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 壓敏膠耐環(huán)境性能試驗(yàn)條件

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)抽取4 種膠帶產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，分別用A，B，C，D 表示。A，B，C，D 產(chǎn)品均為相關(guān)廠商提供的3M或德莎丙烯酸泡棉膠帶。

按照GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》中的方法1 進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，剝離速度為（300±10）mm/min。將每種產(chǎn)品裁切制成3 個(gè)樣品，測(cè)試結(jié)果取3 個(gè)樣品的平均值。因本試驗(yàn)?zāi)康脑谟诳己藟好裟z在汽車外飾件中的粘合性能，因此鋼板均經(jīng)過涂漆處理，如圖1 所示。180°剝離試驗(yàn)相對(duì)于90°剝離試驗(yàn)操作簡便，測(cè)試結(jié)果分散性較小，該方法測(cè)試的剝離強(qiáng)度是重要的實(shí)用粘合性能之一。

圖1 涂漆鋼板示意圖

剪切強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》進(jìn)行。在本次試驗(yàn)中，為模擬實(shí)際粘合狀態(tài)，試板分別采用了ABS試板和涂漆鋼板。使用GB/T 2792—2014 的輥壓裝置，來回滾壓制成的試樣3 次，以提高親和力。將每種產(chǎn)品裁切制成3 個(gè)樣品，測(cè)試結(jié)果取3 個(gè)樣品的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 剝離強(qiáng)度

剝離強(qiáng)度試驗(yàn)主要測(cè)試壓敏膠的粘接性能。試驗(yàn)所采用的樣品在供貨狀態(tài)下均出現(xiàn)剝離不足25 mm膠帶內(nèi)部（泡棉層+膠粘劑層）破裂的現(xiàn)象，因此剝離強(qiáng)度不能計(jì)數(shù)。內(nèi)部破壞以內(nèi)部撕裂為主，撕裂膠帶邊緣混合界面粘合破壞。膠帶內(nèi)部撕裂表明測(cè)試樣品的粘附力大于壓敏膠整體的強(qiáng)度。當(dāng)外加拉力持續(xù)增大時(shí)，內(nèi)應(yīng)力分布逐漸趨于集中，產(chǎn)生裂縫并迅速擴(kuò)展出現(xiàn)基材與膠層內(nèi)部均撕裂的現(xiàn)象。這種內(nèi)聚破壞表明壓敏膠抗剝離能力較好。

B，C，D 3 種產(chǎn)品經(jīng)耐高溫、耐潮濕以及耐清洗劑試驗(yàn)后，在剝離強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試中所有樣品都出現(xiàn)剝離不足25 mm 膠帶內(nèi)部破裂現(xiàn)象，結(jié)果不能為剝離強(qiáng)度計(jì)數(shù)，但可以表明試驗(yàn)樣品仍具有較好的抗剝離強(qiáng)度，這3 種產(chǎn)品耐高溫、耐潮濕以及耐清洗劑的能力較好。在外飾件如字標(biāo)、標(biāo)志牌、裝飾條等的應(yīng)用中，剝離試驗(yàn)時(shí)壓敏膠的內(nèi)部破壞可以被認(rèn)可。

產(chǎn)品A 在耐寒性剝離強(qiáng)度測(cè)試過程中沒有出現(xiàn)內(nèi)部破裂現(xiàn)象，表明該產(chǎn)品相對(duì)于其他產(chǎn)品對(duì)低溫更為敏感，耐寒性試驗(yàn)后樣品的粘附力小于壓敏膠整體的強(qiáng)度。在低溫環(huán)境中，分子運(yùn)動(dòng)能力減弱，無法有效浸濕被粘制件表面，壓敏膠變硬，粘性下降甚至消失；另一方面，膠帶的內(nèi)聚力增加。因此，在低溫情況下壓敏膠容易剝離，在極限低溫環(huán)境下出現(xiàn)粘接失效的概率增加。耐潮濕性較差的膠帶，在低溫恢復(fù)至常溫的過程中，樣品表面會(huì)因結(jié)霜受潮氣影響而降低粘接強(qiáng)度。

3.2 剪切強(qiáng)度

剪切強(qiáng)度試驗(yàn)主要測(cè)試粘接后，壓敏膠抵抗對(duì)手件重力剪切的性能。其主要取決于壓敏膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度，也與基材或被粘物的性質(zhì)，尤其是表面性質(zhì)相關(guān)[3]103。因此文章中對(duì)不同產(chǎn)品的剪切強(qiáng)度不做橫向?qū)Ρ取?/p>

供貨狀態(tài)下，所有樣品的破壞形式以基材內(nèi)部破裂為主。環(huán)境試驗(yàn)后壓敏膠剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，如表2 所示。從表2 中可以得知：耐熱試驗(yàn)后樣品的剪切強(qiáng)度均顯著增加；耐潮濕、耐清洗劑試驗(yàn)后剪切強(qiáng)度基本保持不變或輕微下降，影響較??；耐寒試驗(yàn)后剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

表2 環(huán)境試驗(yàn)后壓敏膠的剪切強(qiáng)度變化%

在高溫環(huán)境下，隨著熱老化時(shí)間的延長，膠粘劑的內(nèi)聚強(qiáng)度降低，流動(dòng)性提高。根據(jù)微機(jī)械嵌定理論，由于試板的潤濕性提高，恢復(fù)至常溫時(shí)膠粘劑會(huì)表現(xiàn)出更高的膠結(jié)強(qiáng)度，因此耐高溫后所有樣品均出現(xiàn)單一的基材內(nèi)部破裂的破壞形式，如圖2 所示。

圖2 耐高溫后剪切試驗(yàn)壓敏膠膠接接頭內(nèi)部破壞示意圖

在潮濕環(huán)境中，濕氣一般通過膠粘劑水解或滲入膠層取代粘接界面的膠粘方式影響粘接強(qiáng)度。丙烯酸泡棉壓敏膠具有優(yōu)良的濕度耐受性，粘貼后濕氣無法與粘貼表面接觸，因此并沒有顯著影響粘接效果。耐清洗劑試驗(yàn)后膠粘劑剪切強(qiáng)度變化不明顯，清洗劑的主要成分是乙醇，1 h 浸泡并沒有對(duì)膠粘劑或基材產(chǎn)生較大影響。因此部分樣品出現(xiàn)少量界面粘合破壞和基材內(nèi)部破裂相混合的接頭破壞形式，造成粘附面積減少，也表現(xiàn)出剪切強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。耐清洗劑后剪切試驗(yàn)接頭界面粘和破壞示意圖，如圖3 所示。

圖3 耐清洗劑后剪切試驗(yàn)壓敏膠膠粘接頭界面粘和破壞示意圖

4 結(jié)論

對(duì)丙烯酸泡棉壓敏膠在汽車外飾件中應(yīng)用的情況進(jìn)行測(cè)試，采用涂漆鋼板和ABS 板模擬粘接的實(shí)際對(duì)手件，得出：1）剝離強(qiáng)度試驗(yàn)中，樣品接頭破壞以內(nèi)部破壞現(xiàn)象為主時(shí)較難測(cè)出剝離強(qiáng)度，可以根據(jù)接頭破壞類型大致判斷環(huán)境試驗(yàn)對(duì)剝離強(qiáng)度的影響；2）耐寒性試驗(yàn)對(duì)丙烯酸泡棉壓敏膠剝離強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度影響較為明顯，可以優(yōu)先考慮進(jìn)行耐寒后的性能測(cè)試。