某型膠粘劑加速貯存試驗及壽命評估

胡恩來，陳津虎，胡紹華，宮曉春，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京100076）

某型膠粘劑加速貯存試驗及壽命評估

胡恩來，陳津虎，胡紹華，宮曉春，胡彥平

（北京強度環境研究所，北京100076）

目的 評估某型膠粘劑的壽命。方法 通過恒定應力試驗方法對某膠粘劑進行三個不同應力量級的高溫加速貯存試驗。結果 膠粘劑在100，80，60 ℃三種高溫老化溫度下的老化90 d后的剪切強度均明顯大于初始剪切強度12.225 MPa。結論 高溫老化過程中，膠粘劑發生了明顯的退化現象。溫度越高，性能退化越快。由性能退化曲線擬合得到了膠粘劑高溫老化的加速因子，評估了膠粘劑的常溫貯存壽命至少為17.1年。

膠粘劑；加速貯存試驗；恒定應力；加速因子；壽命評估

膠粘劑作為一類高分子材料[1—3]，廣泛應用于包裝、建筑、汽車、電子、制鞋、紡織、塑料、木材、光學、醫療衛生、航天航空、海洋運輸等領域。隨著對材料性能要求的提高，膠粘劑的老化失效問題日益嚴重，迫切需要進行大量的膠粘劑材料環境老化的基礎研究。國內對其環境行為與失效規律的研究[4—11]報道甚少，遠未達到與材料實際應用相適應的水平，極大限制了膠粘劑新材料的開發與應用[12]。在長期庫房貯存過程中，膠粘劑和其他非金屬材料，往往是產品的薄弱環節，它們在貯存過程中會發生老化，性能下降甚至失效，從而導致產品失效。為了探索膠粘劑材料的貯存壽命，文中對某膠粘劑進行了加速貯存[13]老化研究。

1　試驗及數據

膠粘劑試片采用 LY12-CZ鋁合金試片進行粘接，試片的具體尺寸如圖1所示，試片尺寸為(100± 0.25)mm×(25±0.25)mm×(1.6±0.1)mm，膠水粘接尺寸為(25±0.25)×(12.5±0.25)mm，膠層厚度為0.2 mm，粘結面進行噴砂處理，具體的試片加工方式滿足GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》要求。

圖1 膠粘劑試片Fig.1 Adhesive specimens scheme

不同老化溫度下膠粘劑剪切強度與老化時間的關系如圖 2所示。高溫加速老化試驗前隨機選取了5片膠粘劑試片進行常溫下的拉伸剪切試驗，測得膠粘劑試片的初始剪切強度為12.225 MPa。對全部140片膠粘劑試片進行100 ℃環境條件下貯存48 h的預處理后[14]，將全部膠粘劑試片隨機分成3組，編號后分別置于3個高溫試驗箱中進行為期90 d的高溫加速老化試驗，三組試驗的老化溫度分別為100，80，60 ℃。試驗過程中定期地從試驗箱中取出膠粘劑試片，每次取出5片，常溫放置24 h后對其進行拉伸剪切試驗，獲取剪切強度數據。

圖2 膠粘劑高溫老化過程中的剪切強度變化曲線Fig.2 The shear strength curves of adhesive on high temperature aging process

2　分析與計算

2.1 分析與討論

由圖2可以看出，100 ℃高溫老化過程中，膠粘劑的剪切強度在老化前7天顯著增大，第7天之后明顯減小。80，60 ℃高溫老化過程中也出現了這種先固化而后性能退化的現象。這種現象與文獻[15]一致。這是因為最初的膠粘劑固化進行得不完全，所以高溫老化前期膠粘劑又發生了繼續固化，從而提高了剪切強度。之后隨著高溫老化的進行，膠粘劑受熱老化的影響，發生了降解，其剪切強度出現了明顯的下降。由圖2還可以看出，100 ℃和80 ℃高溫老化過程中，膠粘劑剪切強度在老化時間分別進行到40，90 d時又出現了第二次峰值，這是因為在高溫老化過程中，之前未固化部分的膠粘劑，隨著周圍已固化部分膠粘劑的不斷降解，被逐漸暴露出來，然后又發生了再次固化，剪切強度也因此得到了再次提高。

如圖2所示，膠粘劑在100，80，60 ℃三種高溫老化溫度下的老化90 d后的剪切強度均明顯大于初始剪切強度12.225 MPa。這說明該型膠粘劑具有較好的耐高溫老化性能。比較三種溫度下膠粘劑在第一次固化后的剪切強度性能退化速率，見表1。可以看出，溫度越高，退化速率越快。

表1 膠粘劑剪切性能退化數據Table 1 The shear performance degradation data of adhesive

2.2 加速因子及壽命

根據GJB92.2—86《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則——第二部分：統計方法》，對膠粘劑材料進行老化后性能數據的處理和貯存壽命的統計外推評估。

假定膠粘劑在高溫老化過程中，其性能變化指標P與老化時間τ的關系用式（1）描述：

式中：P為性能變化指標，即膠粘劑的剪切強度；τ為老化時間，d；K為與溫度有關的性能變化速度常數，1/d；A為常數；α為時間指數（范圍：0～1）。

按照上述經驗式，根據試驗獲取的一系列材料性能P和老化時間τ數據，可擬合得到性能變化速度常數K，即材料的表觀老化速率常數。

根據工程經驗，在一定的溫度范圍內，材料的性能變化速度常數K與老化溫度T的關系服從阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：

式中：T為絕對溫度，K；E為表觀活化能，J/mol；Z為頻率因子；R為氣體常數，J/(K·mol)。

根據Arrhenius方程，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關系，由此可通過擬合外推得到其他溫度條件下的材料老化速率[16]。

按照式（1）和式（2），結合試驗數據，通過編程計算得到α為0.311。當α為0.311時，擬合得到式（1）和式（2）的其他參數，見表2。將表2中的參數代人式（2）計算得到常溫（25 ℃）下膠粘劑材料的性能變化速度常數K0為0.086 02。

表2 公式（1），（2）的擬合參數Table 2 The fitting parameters of formula (1) and (2)

當不同老化溫度下，性能參數P相等時，式（1）可變為：

由式（3）計算得到膠粘劑在100，80，60 ℃高溫老化相對于常溫（25 ℃）貯存的加速因子分別為 69.5，27.5，9.28。根據試驗結果，該型膠粘劑在100 ℃環境條件下高溫老化90 d仍然不失效，結合加速因子，計算得到該型膠粘劑的的壽命至少滿足6255天，即17.1年。

3　結論

通過加速貯存老化試驗獲得了某膠粘劑在不同溫度下的老化試驗數據，加速貯存過程中的拉伸剪切強度數據及其擬合結果表明：

1）膠粘劑在加速老化過程中發生了明顯的退化現象。貯存溫度越高，膠粘劑性能退化越快。

2）膠粘劑在100，80，60 ℃環境條件下貯存相對于常溫貯存的加速因子分別為69.5，27.5，9.28。

3）評估得到膠粘劑的常溫貯存壽命至少能達到17.1年。

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Storage Accelerated Aging Test and Life Assessment of an Adhesive

HU En-lai, CHEN Jing-hu, HU Shao-hua, GONG Xiao-chun, HU Yan-ping
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To evaluate life of an adhesive. Methods Storage accelerated aging test of an adhesive was conducted in three different temperatures by using constant stress test method. Results After aging at temperatures of 100, 80 and 60 for ℃90 days, the shear strength of the adhesive became much higher than initial 12.225 MPa. Conclusion Marked phenomena of performance degradation are found on the adhesive in the aging process. The higher the temperature, the faster the performance degradation. Accelerating factors of the adhesive in high temperatures are obtained by fitting the performance degradation curves. Finally, storage life of the adhesive at room temperature is evaluated up to 17.1 years at least.

adhesive; accelerated storage test; constant stress; accelerating factor; life assessment

2016-05-26；Revised：2016-06-18

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.024

TJ089；TQ430

A

1672-9242(2016)05-0147-04

2016-05-26；

2016-06-18

胡恩來（1984—），男，北京人，博士，工程師，主要研究方向為環境可靠性、加速貯存試驗技術。

Biography：HU En-lai（1984—）， Male， from Beijing， Doctor， Engineer， Research focus: environment reliability & accelerated storage test techniques.