柔性玻璃用膠粘劑制備及特性比較研究

關鍵詞：柔性玻璃；硅酮、丙烯酸酯、聚氨酯膠粘劑；光學測量

中圖分類號：TQ433.4+3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0014-03

柔性玻璃作為一種新興的高性能材料，因其出色的透明性、機械柔韌性和多領域的應用前景，正在成為材料科學領域的研究熱點。然而，要充分發揮柔性玻璃的潛力，需要解決其與其他材料之間的粘接問題，而這正是膠粘劑在柔性玻璃制備中的核心作用。膠粘劑作為材料連接領域的重要組成部分，為不同材料的結合提供了便利的途徑。在柔性玻璃的制備中，膠粘劑不僅要滿足材料粘接的強度和穩定性要求，還需要考慮到其特殊的機械性能和透明性。本文將針對膠粘劑與柔性玻璃之間的界面相互作用，探究不同膠粘劑類型在粘接過程中的影響機制。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

本研究所使用的膠粘劑分別標記為A、B和C。膠粘劑A為一種單組分硅密封膠，具有濕敷固化和UV抗性特性。其主要應用于結構性玻璃粘接領域。膠粘劑A的抗拉強度約為2.2MPa，斷裂伸長率為450%。膠粘劑B是一種基于ADP技術（丙烯酸雙重性能）的雙組分膠粘劑，通過聚合反應進行固化。其設計用途在于取代結構和半結構粘接中的機械固定技術[1]。膠粘劑B的抗拉強度約為10MPa，斷裂伸長率為150%，玻璃轉變溫度為52℃。膠粘劑C為一種單組分聚氨酯膠粘劑，建議的最大膠粘層厚度為0.3mm。膠粘劑C的性能在很大程度上取決于固化過程中施加的壓力。在研究中，使用了厚度為10mm的浮法玻璃。玻璃在粘接過程中位于空氣側，而在紫外線光下可以區分出氣側和錫側[2-3]。

木材選擇云杉，通過鋸割和刨削制備試樣，確保粘接面位于徑向縱向平面。為了解決木材紋理垂直方向抗拉強度小于膠粘劑粘接的問題，對拉伸試樣的木材部分進行加強處理。

1.2試驗設備

伺服液壓式測試機（MTS）：使用承載能力為100kN的伺服液壓式測試機（MTS型號），為實驗提供了精確的加載和測量功能。該設備允許在控制的加載速率下進行試驗，并獲取力和位移數據。

夾具系統：為了進行拉伸和剪切試驗，使用了專門設計的夾具系統。

線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器：用于測量試樣位移的LVDT傳感器，提供了高精度的位移測量。在部分試驗中，LVDT傳感器用于獲取試樣的位移數據。

1.3試件制備

針對被研究的3種膠粘劑，均制備了15個外觀上相同的試樣，分別進行了拉伸和剪切測試。圖1展示了拉伸試樣和剪切試樣的尺寸。理想情況下，粘接界面的面積應足夠小，以實現均勻的應力分布[4-5]。

1.3.1組裝

手工將膠粘劑涂在木片上。然后用壓力機將涂有膠粘劑的木塊和玻璃壓在一起。為粘合試樣設計了一個特殊的夾具，可以同時制作5個試樣。拉伸和剪切試樣使用的是同一個夾具。該夾具可以控制不同膠粘劑的不同粘合線厚度[6]。

由于固化過程中施加的壓力對聚氨酯膠粘劑非常重要，因此這些試樣粘合過程中的標稱壓力被設定為預定值，即1MPa。在試樣制備過程中沒有對粘合線厚度進行控制。硅酮和丙烯酸酯粘接的決定性參數是粘接厚度。因此，使用夾具是為了獲得預先確定的粘合線厚度，而不是在涂膠時獲得一定的壓力。硅酮的名義粘合線厚度為4mm，丙烯酸酯的名義粘合線厚度為2mm[7]。

1.3.2固化和存放

首先，將試樣放入裝置中，對其施加適當的壓力。然后，將試樣與硅酮、丙烯酸酯膠粘劑和聚氨酯膠粘劑分別進行粘接，并保持不同的固化時間，分別為20、1和3h。在粘接過程中，盡量在膠粘劑固化前去除多余的膠粘劑，如果無法去除，則在固化后使用刀具或小鋸進行切割。粘接完成后，將試樣存放在（20±1）°C和相對濕度（60±3）%的恒溫恒濕箱中至少7d，以便進行后續的測試[8]。

1.4試驗方法

所使用的機器是一臺伺服液壓式MTS型號測試機（100kN承載能力）。這2種夾具在末端配有鉸接的鋼條，插入測試機的液壓夾具中。

用于拉伸試樣的夾具由一個上部和一個下部組成，玻璃被放置在上部，下部螺絲固定在木材上，如圖2所示。

由圖2可知，夾具的下部會對木材施加一定的壓縮力。對于剪切試樣，夾具也由上部和下部組成，均基于同一原理，但由于木材和玻璃粘合物的厚度差異而具有不同尺寸。鉸接條的位置可以調整以適應粘接層厚度，以使未變形狀態下的結果力沿著粘接層的中心線作用。

表1顯示了不同膠粘劑所使用的加載速率。在這些速率下，如果將硅酮的失效定義為剛度顯著降低的位移處，則在拉伸測試中所有膠粘劑的失效時間均約為1min。

計算了各個位移值對應的平均負荷值。所有試樣的位移是通過測試機的加載活塞運動測量得到的。為了獲得更精確的位移數據，采用了線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器測量方法。測試機數據（力和活塞運動）和LVDT傳感器數據每秒采樣一次。

2結果與討論

2.1拉伸試樣

在每種膠粘劑類型中測試的15個試樣的平均值和標準偏差被計算出來，根據試驗獲得的數據詳見表2。

由表2可知，不同膠粘劑的強度表現存在明顯差異。通過對15個試樣的測試結果進行平均值和標準偏差的計算，觀察到每種膠粘劑的拉伸強度有所不同。這表明膠粘劑的性能受到其化學成分和特性的影響，進而對柔性玻璃粘接的性能產生顯著影響[9]。從表2還可以看出，不同類型的膠粘劑在柔性玻璃粘接中的性能存在顯著差異。丙烯酸酯膠粘劑表現出較高的平均拉伸強度，為3.04MPa，而硅膠膠粘劑和聚氨酯膠粘劑的平均拉伸強度則分別為0.77和1.56MPa。標準偏差的存在表明了不同試樣之間的一定變化，但總體趨勢仍然是明顯的。

2.2剪切試樣

通過對3種不同類型的膠粘劑進行剪切試驗，獲得了關于它們在粘接過程中的強度差異的詳細數據如表3所示。

由表3可知，硅膠膠粘劑在剪切粘接中表現出較低的平均剪切強度，僅為0.86MPa。這可能與硅膠本身的柔韌性和彈性有關，導致其在剪切過程中的抗剪能力較低。與硅膠相比，丙烯酸酯膠粘劑在剪切粘接中表現出較高的性能，平均剪切強度為3.63MPa。這可能與丙烯酸酯膠粘劑的內聚性能較高有關，使其能夠在剪切加載下更好地抵抗斷裂。丙烯酸酯的高內聚性能可能增強了其在粘接界面的粘合力，從而提高了剪切強度[10-11]。

聚氨酯膠粘劑在剪切粘接性能方面表現相對較低，平均剪切強度為2.04MPa。這可能受到聚氨酯的特性和材料屬性的影響，使其在剪切加載下表現出較低的抗剪能力。

3結語

（1）拉伸性能。試驗結果顯示，不同類型的膠粘劑在柔性玻璃的拉伸粘接性能方面表現出明顯差異。丙烯酸酯膠粘劑的拉伸強度明顯高于硅膠和聚氨酯膠粘劑。這表明丙烯酸酯膠粘劑在柔性玻璃的拉伸粘接中具有較好的性能，其具有較高的內聚性能和粘合性能；

（2）剪切性能。試驗結果顯示，丙烯酸酯膠粘劑在剪切粘接中表現出較高的強度，而硅膠和聚氨酯膠粘劑的剪切性能較低，這與其在粘接界面的粘附能力和內聚性能相關，丙烯酸酯膠粘劑的高內聚性能可能有助于提高其剪切強度。