膠黏劑服役期與玻璃化溫度以及吸水性關系的預測

葉險峰， 白洪剛， 李 冰

（1.黑龍江省科學院石油化學研究院膠黏劑工程技術研究中心黑龍江哈爾濱150040；2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江哈爾濱150080）

濕熱老化試驗雖然可以準確反應膠黏劑粘接接頭性能變化趨勢，但其測試時間長、設備復雜，不能快速反應粘接接頭性能變化趨勢。目前主要采用最小二乘法建立關系式，來預測膠黏劑達到服役期剪切強度的變化，這種預測方法準確性差，而且還是主要針對膠黏劑粘接金屬材料，而其它預測方法和性能變化規律的研究則較少，此外關于建筑材料粘接接頭的預測目前還沒有人進行研究［1-5］。

本文利用已知數據推導出膠黏劑粘接炭纖維增強水泥接頭在不同濕熱老化溫度下，達到服役期的老化時間的關系式。推導出粘接接頭濕熱老化時間與膠黏劑玻璃化溫度以及吸水性的相互關系。建立了粘接接頭在不同濕熱老化條件下達到服役期時，玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關系式，并考核了以上關系式推導出的結果和實測值之間的誤差。這種方法可以用來預測建筑材料粘接炭纖維增強水泥的性能，預測其壽命和性能。

1 實驗部分

濕熱老化實驗：在濕熱老化箱進行，相對濕度為98%～100%的不同溫度下進行濕熱老化，達到一定老化時間后取出粘接樣品，常溫放置48h，并在80℃烘干8h，于常溫放置24h，除去表面和內部可能吸附的水分，再進行測試。

2 粘接接頭服役期和濕熱老化溫度關系式的推導

水是水泥的固化劑，水在膠黏劑中的擴散存在可逆與不可逆兩種形式。膠黏劑濕熱老化時間與溫度存在一定的等效關系。根據文獻［5］膠黏劑服役期和老化溫度之間的關系式為：

式中H—膠黏劑達到服役期時的老化時間(h)；—弱鍵強度有關的系數；

E—活化能(kJ/mol)；

T—溫度(K)；

假設粘接接頭服役期間的剪切強度為0.5MPa。將不同溫度濕熱老化條件下，膠黏劑粘接接頭服役期和相應溫度下的濕度數值代入(3)，可以計算出：=4710.41559，相關系數：

R=0.99533；濕熱老化時間和溫度的關系式：

表1 不同濕熱老化條件下粘接接頭的服役期Table 1 The working time of the joint under different conditions of humidity aging

3 濕熱老化溫度與玻璃化溫度以及吸水性關系式的推導

在濕熱老化條件下，膠黏劑吸收水分，并使之玻璃化溫度下降，在45℃，RH98%～100%濕熱老化條件下，由于膠黏劑濕熱老化時間和吸水性和玻璃化溫度存在線性關系［6］。根據圖2和圖3提供的數據，可以分別建立在45℃，RH98%～100%濕熱老化條件下，濕熱老化時間和膠黏劑玻璃化溫度及其吸水性之間的關系式。

圖155 ℃，RH98%～100%下粘接接頭吸水性和老化時間的關系Fig.1 Relation of adhesive joint water absorption and humidity aging time at 55℃,RH98%～100%

圖255 ℃，RH98%～100%下粘接接頭中膠黏劑玻璃化轉變溫度和老化時間的關系Fig.2 Relation of humidity time and the adhesive Tg at 55℃,RH98%～100%

玻璃化溫度與濕熱老化時間的關系式：

H—濕熱老化時間(h)。吸水性與濕熱老化時間的關系式：

H—濕熱老化時間(h)。

根據（5）和（6），可以確立玻璃化溫度與吸水性關系式：

如果將不同濕熱老化條件下的濕熱老化時間換算成55℃，RH 98%～100%下的老化時間，就可以求出在不同濕熱老化條件下，玻璃化溫度和吸水性與老化時間的關系式。根據Arrhenius定律，在不同溫度下，濕熱老化時間之間的關系式：

式中H1——T1濕熱老化溫度下的老化時間(h);

H2——T2濕熱老化溫度下的老化時間(h);

T1——濕熱老化溫度(K);

T2——濕熱老化溫度(K)。

由于本文選擇的最低濕熱老化條件為55℃，RH98%～100%；濕熱老化時間之間的關系可以表示為：

由此求出的活化能E為-78.23kJ/mol，這是考慮到水解、吸附等所有可逆和不可逆過程作用的計算結果，而前文只是考慮了不可逆過程，因此計算結果并不相同。

根據公式(9)，濕熱老化時間與溫度之間的關系，將不同條件下的濕熱老化時間相應轉化為55℃，RH98%～100%下的濕熱老化時間，將(4)和(9)代入(7)，由此求出粘接接頭達到服役期時玻璃化溫度與濕熱老化溫度的關系式：

利用(10)計算的不同濕熱老化條件下粘接接頭達到服役期時濕熱老化溫度與膠黏劑玻璃化溫度數值與實際測試值的偏差從表2可見，偏差均在1%以內，說明關系式(10)誤差較小，可以用來預測不同濕熱老化條件下粘接接頭達到服役期時濕熱老化溫度與膠黏劑玻璃化溫度的關系。將(4)和(9)代入(6)，粘接接頭達到服役期時，膠黏劑吸水性與濕熱老化溫度的關系式：

利用(11)計算的不同濕熱老化條件下粘接接頭達到服役期時濕熱老化溫度與吸水性的數值與實際測試值之間的偏差從表3可見，均在4%以內。說明關系式(11)誤差較小，可以用來預測不同濕熱老化條件下粘接接頭達到服役期時濕熱老化溫度與吸水性的關系。

表2 玻璃化轉變溫度和濕熱老化條件的關系Table 2 The relation of adhesive Tg and humidity aging conditions

表3 膠黏劑吸水性和濕熱老化條件的關系Table 3 The relation of adhesive water absorption and humidity aging conditions

4 結論

本文不僅推導出粘接接頭在不同濕熱老化溫度下，達到服役期的老化時間，而且還推導出粘接接頭濕熱老化時間與膠黏劑玻璃化溫度以及吸水性的相互關系。并建立了粘接接頭在不同濕熱老化條件下達到服役期時，玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關系式，考核了以上關系式推導出的結果和實測值之間的誤差，說明玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關系式與實測值誤差較小，可以用來預測三者之間的關系。

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