快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的制備及其疲勞性能研究

褚唯灼，魏培欣，宗 艷，鄭云昊，吳惠惠，項(xiàng)尚林（.南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 003；.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 0009）

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快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的制備及其疲勞性能研究

褚唯灼1，魏培欣1，宗 艷1，鄭云昊1，吳惠惠1，項(xiàng)尚林2
（1.南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

摘要：使用丙烯酸酯橡膠、MBS樹脂、附著力促進(jìn)劑、阻聚劑、偶聯(lián)劑以及丙烯酸酯單體等制備出雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠，測(cè)定了其疲勞性能，即在τm＝0.35τR的條件下，以振幅τa做正弦波形振動(dòng)，設(shè)定頻率為30 Hz，疲勞循環(huán)數(shù)100萬次。利用階梯法，計(jì)算疲勞極限和標(biāo)準(zhǔn)差，并得到了S-N曲線。結(jié)果表明，根據(jù)S-N曲線外推到1 000萬次的結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：丙烯酸酯膠粘劑；疲勞性能；S-N曲線

快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘劑因具有室溫固化快、強(qiáng)度高、韌性好、適應(yīng)性強(qiáng)和工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛用于宇航、航空、汽車、機(jī)械、艦船、電子、電器、建筑、鐵路車輛等行業(yè)的結(jié)構(gòu)粘接、粘接修復(fù)、防滲堵漏等，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1～5]。隨著高速列車行業(yè)的快速發(fā)展，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到深化和提高，快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠也越來越多地應(yīng)用到該行業(yè)。本文首先制備了一種快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘劑，并主要研究了快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠動(dòng)態(tài)疲勞性能。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸，多官能丙烯酸酯，丙烯酸酯橡膠，三環(huán)癸烷二甲醇二丙烯酸酯，偶聯(lián)劑，過氧化二苯甲酰（BPO），N,N-二甲基對(duì)甲苯胺，附著力促進(jìn)劑，MBS樹脂，增塑劑，阻聚劑，石蠟，顏料等,均為市售工業(yè)品。

1.2 制備方法

1.2.1 A組分制備方法

（1）將丙烯酸酯橡膠粉碎成小塊備用。

（2）將甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、多官能丙烯酸酯和三環(huán)癸烷二甲醇二丙烯酸酯按比例投入到反應(yīng)釜中，通入冷卻水降溫，攪拌條件下投入丙烯酸酯橡膠，至丙烯酸酯橡膠完全溶解。

（3）將阻聚劑按比例投入到反應(yīng)釜中，攪拌均勻后投入N,N-二甲基對(duì)甲苯胺、附著力促進(jìn)劑和偶聯(lián)劑，攪拌均勻。

（4）按比例將MBS樹酯、石蠟投入到反應(yīng)釜中，攪拌均勻至無顆粒為止。

1.2.2 B組分制備方法

將增塑劑、BPO、MBS樹脂和顏料按比例投入到反應(yīng)釜中，高速攪拌至原料完全溶解無固體顆粒為止。

1.2.3 樣 件 制備

將待粘接鋁剪切成試片并揭除保護(hù)膜，用丙酮擦拭表面除去塵土和油污。將A/B組分膠以10：1比例混合均勻后，均勻涂抹于2片鋁片上，涂抹長(zhǎng)度大于12.5 mm，搭接后用長(zhǎng)尾夾進(jìn)行固定，于23 ℃恒溫固化24 h。

1.3 性能測(cè)定

1）剪切強(qiáng)度

按照GB/T 7124—2008[6]，采用電子萬能拉力機(jī)測(cè)試鋁片剪切強(qiáng)度。

2）振動(dòng)疲勞性能

按照GBT 27595—2011[7]，采用ES-1-150疲勞振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試振動(dòng)疲勞性能。

2　結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)剪切強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

熟化時(shí)間對(duì)雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠靜態(tài)剪切強(qiáng)度的影響如表1所示。由表1可知，隨著熟化時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)膠的鋁/鋁剪切強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，達(dá)到24 h后基本趨于穩(wěn)定。

2.2 疲勞性能的表征

2.2.1 階梯法疲勞性能的測(cè)試方法

表1　靜態(tài)剪切強(qiáng)度Tab.1 Static shear strength

由表1還可知，靜態(tài)強(qiáng)度取相對(duì)最大值，則雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠靜態(tài)剪切強(qiáng)度τR=14.982 MPa，根據(jù)平均應(yīng)力公式：τm=0.35 τR，那么平均應(yīng)力τm=0.35，τR=5.244 MPa。

設(shè)定初始振幅τa為0.9 MPa，如果第1個(gè)試樣沒有達(dá)到所設(shè)定的循環(huán)條件，在做下一個(gè)試樣時(shí)就要把τa降低一個(gè)公差值，如果達(dá)到了所設(shè)定的循環(huán)條件，就要把下一個(gè)試樣的τa提高一個(gè)公差值，以此類推。

階梯法疲勞測(cè)試結(jié)果如表2所示，疲勞測(cè)試結(jié)果的分析如表3所示。

表2　階梯法疲勞測(cè)試結(jié)果Tab.2 Fatigue test results obtained by step method

表3　疲勞測(cè)試結(jié)果的分析Tab.3 Analysis of fatigue test results

2.2.2 疲勞極限與疲勞極限偏差

計(jì)算結(jié)果：

計(jì)算結(jié)果表明疲勞極限偏差達(dá)到要求。

2.2.3 依 據(jù)ASTM E739：2010[8]得到的S-N曲線

雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠依據(jù)ASTM E739：2010得到的S-N曲線如圖1所示。

圖1　依據(jù)ASTM E739：2010得到的S-N曲線Fig.1 S-N curve obtained by ASTM E739：2010

2.2.4 丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠依據(jù)ISO 9664：1995[9]標(biāo)準(zhǔn)得到的S-N曲線

丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠依據(jù)ISO 9664：1995得到的S-N曲線如圖2所示。

2.2.5 丙 烯酸酯結(jié)構(gòu)膠1 000萬次疲勞性能

由圖1得到logN=11.089-3.595τa，當(dāng)N=1 000萬次時(shí)，振幅τa=1.14 MPa。表4為丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠1 000萬次疲勞測(cè)試后剩余應(yīng)力。實(shí)際測(cè)試中，取振幅τa=1.0 MPa進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠疲勞次數(shù)達(dá)到1 000萬次且試樣沒有被破壞時(shí)，試樣靜態(tài)剪切應(yīng)力保留率為84.5%。由此表明，用擬合曲線外推到1 000 萬次的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果基本上一致。說明該方法可用于測(cè)試雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的振動(dòng)疲勞性能。

圖2　依據(jù)ISO 9664：1995得到的S-N曲線Fig.2 S-N curve obtained by ISO 9664：1995

圖3　擬合1 000萬次疲勞曲線Fig.3 Fitting curve for 10 million times of fatigue test

表4　1000萬次疲勞測(cè)試后剩余應(yīng)力Tab.4 Residual stress after 10 million times of fatigue test

圖3為各振幅測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)擬合所得曲線。膠的研制[J].粘接,2007,28(2):16-17.

[3]李易,夏浩,陳勇,等.電機(jī)磁鋼粘接用低氣味第2代丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠的研制[J].中國(guó)膠粘劑,2015,24(6):44-48.

[4]朱本瑋,林安,甘復(fù)興.室溫固化丙烯酸結(jié)構(gòu)膠的研究[J].化學(xué)與黏合,2008,30(2):30-32.

[5]張文,周恒為,張麗,等.雙主劑型改性丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠揮發(fā)過程的質(zhì)量變化研究[J].伊犁師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(2):31-33.

[6]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[S].

[7]GBT 27595—2011,膠粘劑結(jié)構(gòu)膠粘劑拉伸剪切疲勞性能的試驗(yàn)方法[S].

[8]ASTM E739:2010 Standard practice for statistical analysis of linear or linearized stress-life and strain-life fatigue data[S].

[9]ISO 9664:1995Adhesives-Test methods for fatigue properties of structural adhesives in tensile shear[S].

（1）雙組分快固型丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠鋁/鋁的剪切強(qiáng)度隨著熟化時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，達(dá)到24 h后趨于穩(wěn)定。

（2）測(cè)出的丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠S-N曲線、極限疲勞，通過擬合曲線上1 000萬次時(shí)的振幅來進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其一致性。

（3）為了高速列車粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用安全性，需要對(duì)丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行疲勞測(cè)試，高速列車相關(guān)認(rèn)證和設(shè)計(jì)部門應(yīng)將結(jié)構(gòu)膠疲勞性能納入考慮范圍中。

3　結(jié)語

參考文獻(xiàn)

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Preparation and fatigue property of fast curing acrylate structural adhesive

CHU Wei-zhuo1, WEI Pei-xin1, ZONG Yan1, ZHENG Yun-hao1, WU Hui-hui1, XIANG Shang-lin2
(1.CSR Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu 210031, China; 2 College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China)

Abstract：The two-component fast curing acrylate structural adhesive was prepared with polyacrylate rubber, MBS resin, adhesion promoter, inhibitor, coupling agent and acrylic ester monomer etc, and the fatigue performance was also determined, which was measured under the follow conditions: τm=0.35 τR, sinusoidal wave vibration at τaamplitude, 30 Hz of frequency, 1 million times of fatigue cycle number. The fatigue limit and the standard deviation were calculated by the step method and the SN curve was obtained.The results showed that the result obtained according to the S-N curve extrapolation to 10 millions and the result of the test were basically identical.

Key words：acrylate structural adhesive; fatigue property; S-N curve

作者簡(jiǎn)介：褚唯灼（1985-），男，助理工程師，從事城軌車輛的機(jī)械裝配及工藝定額的管理工作。E-mail：cwz-1985@163.com。通訊聯(lián)系人：項(xiàng)尚林（1972-），男，副教授，主要從事高分子材料的合成與改性方面的研究。E-mail：xiangsl448@126.com。

收稿日期：2015-12-17