基于信息化技術(shù)的電纜用膠粘劑力學(xué)性能研究

黃文杰，吳海寧，杜 端，可 紅，張 超

(湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430050)

環(huán)氧樹脂膠粘劑是在環(huán)氧樹脂的基礎(chǔ)上進(jìn)行再加工或改性，使其性能參數(shù)等符合特定的使用需求的熱固性樹脂膠粘劑[1]，由于其具有加工成型簡單、彈性模量高、粘接性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于基于信息技術(shù)的電纜等領(lǐng)域[2]。隨著信息化技術(shù)的廣泛普及與應(yīng)用，作為一種應(yīng)用于信息化電纜的熱固性樹脂膠粘劑，其在使用過程中會(huì)由于電纜發(fā)熱，造成斷裂韌性較差等而發(fā)生損傷或者彎曲破壞[3]，并造成整體結(jié)構(gòu)失去原有作用影響使用壽命，嚴(yán)重情況下還造成電纜事故。因此，需要開發(fā)出具有自愈功能的熱固性樹脂膠粘劑，使其即使在使用過程中不可避免地發(fā)生損傷等[4-7]，也可以通過修復(fù)在一定程度上彌補(bǔ)基于信息技術(shù)的電纜用膠粘劑的彎曲強(qiáng)度損失[8-9]。目前，雖然有較多的對環(huán)氧樹脂成型工藝或者膠粘劑改性方面的研究，但是關(guān)于基于信息化技術(shù)的電纜用自愈性熱固性樹脂膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用方面的研究報(bào)道較少[10-13]。本文通過添加EVA環(huán)氧樹脂和發(fā)煙二氧化硅的方法制備了不同類型的環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣，研究了EVA環(huán)氧樹脂添加量和發(fā)煙二氧化硅，對損傷與修復(fù)處理后電纜用環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣彎曲強(qiáng)度的影響，這將有助于高綜合性能環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的開發(fā)與工業(yè)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料包括HTDA高溫固化劑(固化劑)、CAB250型發(fā)煙二氧化硅(增稠劑)、EVA-28型 乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA環(huán)氧樹脂，VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%、熔點(diǎn)為69 ℃、密度為0.949 kg/m3、熔流率24 g/(10 min)、粒徑0.29 mm)。

1.2 試樣制備

采用ZYMC-680型材料均質(zhì)機(jī)進(jìn)行攪拌，鋼質(zhì)模具內(nèi)腔尺寸為200×150×10(mm)，在倒入模具前預(yù)先將模具表面涂覆脫模劑并鋪放聚四氟乙烯薄膜，將攪拌好的膠粘劑倒入模具中[14]，室溫固化48 h后再轉(zhuǎn)入烘箱進(jìn)行78 ℃/(24 h)固化處理，之后再進(jìn)行118 ℃/2 h固化處理，脫模后冷卻至室溫。當(dāng)EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，對應(yīng)的環(huán)氧樹脂膠粘劑命名為HYSZ5、HYSZ10和HYSZ15，對應(yīng)的損傷處理后試樣分別命名為HYSZ5H、HYSZ10H和HYSZ15H，對應(yīng)的經(jīng)過修復(fù)處理后試樣分別命名為HYSZ5X、HYSZ10X和HYSZ15X；此外，在環(huán)氧樹脂膠粘劑中添加發(fā)煙二氧化硅，相應(yīng)的經(jīng)過損傷處理后和經(jīng)過修復(fù)處理后膠粘劑試樣分別為HYSH和HYSX。其中，損傷膠粘劑試樣采用2011-08型鋼美工刀進(jìn)行加工，具體為在寬度方向加工肉眼可見的裂紋(2 mm)，損傷部位處于膠粘劑試樣中間位置[15]；在帶有底座的凹槽模具中對損傷膠粘劑試樣進(jìn)行修復(fù)，主要通過上蓋和底座固定，將融化的膠粘劑(100 ℃/0.5 h)修補(bǔ)裂縫[16]。

1.3 測試方法

分別對基于信息技術(shù)的電纜用環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，設(shè)備為采用計(jì)算機(jī)控制的MTS-810型液壓私服萬能材料試驗(yàn)機(jī)，控制方法為位移控制[17]，加載速度為3 mm/min、跨距32 mm，三點(diǎn)彎曲試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示(兩端用長尾夾固定)，彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果為5組平行試樣的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 損傷處理

表1為膠粘劑和損傷處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果。對于未經(jīng)過損傷處理的膠粘劑試樣，當(dāng)EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，HYSZ5、HYSZ10和HYSZ15的剩余彎曲強(qiáng)度分別為100.28、78.73和58.56 MPa；對于損傷處理后膠粘劑試樣，HYSZ5H、HYSZ10H和HYSZ15H的剩余彎曲強(qiáng)度分別為19.08、20.92和21.22 MPa?？梢?，在相同EVA環(huán)氧樹脂添加量條件下，損傷處理后膠粘劑的剩余彎曲強(qiáng)度明顯低于損傷處理前膠粘劑試樣，隨著EVA環(huán)氧樹脂添加量增加，損傷處理前膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度逐漸減??；而損傷處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度逐漸升高，損傷處理對不同EVA環(huán)氧樹脂添加量的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度的影響趨勢不同。

表1 膠粘劑和損傷處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度Tab.1 Residual bending strength of adhesive and adhesive sample after damage treatment MPa

2.2 修復(fù)處理

表2為修復(fù)處理前、后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果。對于修復(fù)處理前膠粘劑試樣，HYSZ5H、HYSZ10H和HYSZ15H的剩余彎曲強(qiáng)度分別為19.08、20.92和21.22 MPa；對應(yīng)修復(fù)處理后膠粘劑試樣，HYSZ5X、HYSZ10X和HYSZ15X的剩余彎曲強(qiáng)度分別為28.44、29.40和30.30 MPa。由此可見，在相同EVA環(huán)氧樹脂添加量條件下，修復(fù)處理后膠粘劑的剩余彎曲強(qiáng)度要高于修復(fù)處理前膠粘劑試樣，且隨著EVA環(huán)氧樹脂添加量增加，修復(fù)處理前膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度逐漸增大；而損傷處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸升高特征，修復(fù)處理對不同EVA環(huán)氧樹脂添加量的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度的影響趨勢相同。

表2 修復(fù)處理前和修復(fù)處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度Tab.2 Residual bending strength of adhesive samples before and after repair treatment MPa

2.3 添加發(fā)煙二氧化硅

表3為添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度(損傷)。與添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣(HYSH)相比，EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%的環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度都相對較大，剩余彎曲強(qiáng)度提高幅度分別為5.53%、15.71%和17.37%。

表3 添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度(損傷)Tab.3 Residual bending strength (damage) of adhesive sample added with fumed silica MPa

表4為添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度(修復(fù))。與添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣(HYSX)相比，EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，修復(fù)處理后環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度都相對較大，剩余彎曲強(qiáng)度提高幅度分別為57.13%、62.43%和67.40%。

表4 添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度(修復(fù))Tab.4 Residual bending strength of adhesive sample added with fumed silica (repair) MPa

表5為添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣在不同階段的剩余彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果。對于添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣(未添加EVA)，損傷前剩余強(qiáng)度為125.86 MPa；經(jīng)過損傷處理后和經(jīng)過修復(fù)處理后，膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度分別為18.08 MPa和18.10 MPa?？梢姡瑩p傷和修復(fù)處理后，添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度明顯減小，但是修復(fù)處理不會(huì)對損傷處理后膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度造成明顯影響，這主要是因?yàn)樵谀z粘劑試樣修復(fù)過程中，主要依靠具有熱塑性的EVA的熔化并均勻分布而使得膠粘劑中的裂紋尖端鈍化[18-20]，從而實(shí)現(xiàn)對膠粘劑的修復(fù)。

表5 添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣在不同階段的剩余彎曲強(qiáng)度Tab.5 Residual bending strength of adhesive samples added with fumed silica at different stages MPa

3 結(jié)語

為弄清楚損傷和修復(fù)對基于信息化技術(shù)的電纜用膠粘劑力學(xué)性能的影響，研究了EVA環(huán)氧樹脂添加量和發(fā)煙二氧化硅對損傷與修復(fù)處理后環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣彎曲強(qiáng)度的影響。

(1)當(dāng)EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，HYSZ5、HYSZ10和HYSZ15的剩余彎曲強(qiáng)度分別為100.28、78.73和58.56 MPa。對于損傷處理后膠粘劑試樣，HYSZ5H、HYSZ10H和HYSZ15H的剩余彎曲強(qiáng)度分別為19.08、20.92和21.22 MPa；

(2)修復(fù)處理前膠粘劑試樣HYSZ5H、HYSZ10H和HYSZ15H的剩余彎曲強(qiáng)度分別為19.08、20.92和21.22 MPa；修復(fù)處理后膠粘劑試樣HYSZ5X、HYSZ10X和HYSZ15X的剩余彎曲強(qiáng)度分別為28.44、29.40和30.30 MPa；

(3)與添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣(HYSH)相比，EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度都相對較大，剩余彎曲強(qiáng)度提高幅度分別為5.53%、15.71%和17.37%。與添加發(fā)煙二氧化硅的膠粘劑試樣(HYSX)相比，EVA環(huán)氧樹脂添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為5%、10%和15%時(shí)，修復(fù)處理后環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的剩余彎曲強(qiáng)度都相對較大，剩余彎曲強(qiáng)度提高幅度分別為57.13%、62.43%和67.40%。