王紅兵,佘濟(jì)云

(1.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院,湖南 常德 415000; 2.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長沙 410004)

0 引言

雙組份環(huán)氧樹脂膠粘劑作為一種室溫固化膠粘劑,由于具有剪切和剝離強(qiáng)度高、耐久性好等特性而被廣泛應(yīng)用于藝術(shù)設(shè)計裝飾等領(lǐng)域。在藝術(shù)設(shè)計裝飾工程中,通常采用專用膠粘劑連接異種材料,這主要是因為膠接工藝有相較于傳統(tǒng)焊接和鉚接更好的抗疲勞特性以及消除應(yīng)力集中等特性[1]。然而,在實際應(yīng)用過程中,藝術(shù)設(shè)計裝飾用專用膠粘劑會在長期濕熱等環(huán)境下出現(xiàn)不同程度的老化和綜合性能衰減等現(xiàn)象[2],為了更好地發(fā)揮專用膠粘劑的粘接性能,提高整體結(jié)構(gòu)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性,對藝術(shù)設(shè)計裝飾用膠粘劑在復(fù)雜環(huán)境下的吸濕特性和老化行為的研究將變得尤為重要,而目前這方面的研究和報道仍然較少,具體的演變規(guī)律及其影響因素等都不清楚[3]。本文考察藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件在蒸餾水和氯化鈉溶液環(huán)境中的老化行為和吸濕特性,結(jié)果將有助于藝術(shù)設(shè)計裝飾用專用膠粘劑的開發(fā)和服役性能提升。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

氯化鈉,工業(yè)級,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司出品;蒸餾水,實驗室自制。

JL-6088型雙組份環(huán)氧樹脂膠粘劑(固化溫度為40 ℃,固化時間為15 h,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為68 ℃),東莞奕合新材料科技有限公司出品。

聚四氟乙烯模具,廊坊綠港保溫建材有限公司出品。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

M2型高低溫環(huán)境箱,中機(jī)試驗裝備股份有限公司出品;Practum6101-1CN型電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器有限公司出品;WD型螺旋測微器,西瓦卡精密量儀有限公司出品; YLHP-1A型恒溫?zé)釅簷C(jī),臨沂盛華機(jī)械制造有限公司出品;MTS-810型萬能試驗機(jī),美國MTS公司出品。

1.3 試驗制備

在熱壓機(jī)中制備平板型和啞鈴型試件,固化溫度為60 ℃,固化時間為120 min。專用膠粘劑試件的固化和老化環(huán)境可分為4組:組1,50 ℃蒸餾水環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)固化,簡稱為D-Water;組2,50 ℃的5%氯化鈉溶液環(huán)境,標(biāo)準(zhǔn)固化,簡稱為S-Water;組3,50 ℃蒸餾水環(huán)境,后固化,簡稱為D-Water-Post;組4,50 ℃的5% 氯化鈉溶液環(huán)境,后固化,簡稱為S-Water-Post。其中,后固化是指標(biāo)準(zhǔn)固化后進(jìn)行 78 ℃/60 min的后固化處理。為了考察幾何效應(yīng)對膠粘劑試件擴(kuò)散的影響,分別選取平板試件(80 mm×30 mm×1 mm)和啞鈴型試件(厚度為1 mm和2 mm)作為研究對象。

1.4 測試與表征

在萬能試驗機(jī)中對試件進(jìn)行靜態(tài)拉伸直至斷裂失效,拉伸速率為1 mm/min,得到失效強(qiáng)度并計算強(qiáng)度退化。

專用膠粘劑試件的吸濕膨脹系數(shù)[4]

(1)

式中:Δh和h0分別表示單位時間厚度增加量和初始厚度;Δm和m0分別表示質(zhì)量增加量和原始質(zhì)量。

藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕量百分比[5]

(2)

(3)

式中:wt,w0,wc分別表示粘結(jié)劑試件的實時質(zhì)量、初始質(zhì)量和老化干燥后的質(zhì)量;m0表示水浸前的初始水分重量;m∞表示飽和情況下吸水質(zhì)量分?jǐn)?shù);mt表示時間t時總吸收質(zhì)量占初始質(zhì)量比;D表示擴(kuò)散系數(shù),可以用式(4)表示[6]:

(4)

式中:wt1和wt2分別表示t1和t2時刻水分吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù);h為試樣厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸濕膨脹

表1為藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的濕度擴(kuò)散特性測試結(jié)果。可見,組1、組2、組3和組4的飽和吸水率分別為9.50%,3.76%,10.32%,4.35%,擴(kuò)散系數(shù)分別為3.54×10-7mm2/s,7.62×10-7mm2/s,3.63×10-7mm2/s,7.28×10-7mm2/s。標(biāo)準(zhǔn)固化條件下,5%氯化鈉溶液環(huán)境下的擴(kuò)散系數(shù)約為蒸餾水環(huán)境下的2.15倍;后固化條件下,5%氯化鈉溶液環(huán)境下的擴(kuò)散系數(shù)約為蒸餾水環(huán)境下的2.01倍。這主要是因為5%氯化鈉溶液環(huán)境(Na和Cl離子的存在)有助于微腔結(jié)構(gòu)在膠粘劑材料中形成,從而使得擴(kuò)散速率加快、擴(kuò)散系數(shù)增大[7]。此外可見,蒸餾水和5% 氯化鈉溶液環(huán)境里后固化試件的飽和吸水率都高于標(biāo)準(zhǔn)固化件。

表1 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的濕度擴(kuò)散特性

圖2為藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕膨脹量與吸濕水分含量的關(guān)系曲線,分別列出了4種固化和老化環(huán)境下膠粘劑試件的吸濕膨脹量與吸濕水分含量的變化曲線和相應(yīng)的擬合曲線。對比可見,無論是標(biāo)準(zhǔn)固化還是后固化試件,蒸餾水環(huán)境和5%氯化鈉溶液環(huán)境下的膠粘劑試件的吸濕膨脹量都會隨著吸濕水分含量增加而逐漸增大,且相同吸濕水分含量的膠粘劑試件在蒸餾水環(huán)境下的吸濕膨脹量要高于5%氯化鈉溶液環(huán)境。

圖2 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕膨脹量與吸濕水分含量的關(guān)系曲線

表2為藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕膨脹特性。對比分析可知,組1、組2、組3和組4的吸濕膨脹系數(shù)分別為0.38 %mw-1,0.35 %mw-1,0.37 %mw-1,0.30 %mw-1,總吸濕膨脹應(yīng)變分別為3.60%,1.63%,4.14%,1.84%。蒸餾水環(huán)境和5% 氯化鈉溶液環(huán)境下,標(biāo)準(zhǔn)固化試件的吸濕膨脹系數(shù)都相較后固化試件更大,而總吸濕膨脹應(yīng)變都相對后者較小。此外,無論是標(biāo)準(zhǔn)固化試件還是后固化試件,5%氯化鈉溶液環(huán)境下試件的吸濕膨脹系數(shù)和總吸濕膨脹應(yīng)變都相對較小。這主要是因為5%氯化鈉溶液環(huán)境下,由于氯離子和鈉離子的存在,液體環(huán)境對試件的水分?jǐn)U散會更加敏感[8-9],相應(yīng)地會使試件具有更高的吸濕膨脹系數(shù)。

表2 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕膨脹特性

2.2 強(qiáng)度退化

圖3為藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸水百分比與粘接件失效強(qiáng)度的關(guān)系。對比分析可知,蒸餾水環(huán)境和5%氯化鈉溶液環(huán)境下,標(biāo)準(zhǔn)固化試件和后固化試件的失效強(qiáng)度都會隨著吸水百分比增加而逐漸減小。表3中列出了藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕飽和量和總強(qiáng)度退化。組1、組2、組3和組4的吸濕飽和量分別為9.50%,3.76%,10.32%,4.35%,相應(yīng)的總強(qiáng)度退化分別為76.52%,72.22%,87.73%,76.56%,可見,相同蒸餾水或者5% 氯化鈉溶液環(huán)境下,后固化試件的總強(qiáng)度退化程度要高于標(biāo)準(zhǔn)固化試件;此外,在蒸餾水環(huán)境下,膠粘劑試件的失效強(qiáng)度從標(biāo)準(zhǔn)固化件的4.55 MPa降低至后固化件的2.88 MPa,降幅較大,而5% 氯化鈉溶液環(huán)境下,膠粘劑試件的失效強(qiáng)度從標(biāo)準(zhǔn)固化件的5.48 MPa降低至后固化件的5.38 MPa,降低幅度較小。

圖3 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸水百分比與粘接件失效強(qiáng)度的關(guān)系

表3 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的吸濕飽和量和總強(qiáng)度退化

2.3 幾何效應(yīng)

表4為藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的擴(kuò)散速率和飽和吸水率與試件類型的關(guān)系。對于蒸餾水環(huán)境,平板型(1 mm)試件、啞鈴型(1 mm)試件和啞鈴型(2 mm)試件的擴(kuò)散速率分別為1.40×107mm2/s,2.37×107mm2/s,4.33×107mm2/s,飽和吸水率分別為11.34%,9.32%,10.06%;對于飽和氯化鈉溶液環(huán)境,平板型(1 mm)試件、啞鈴型(1 mm)試件和啞鈴型(2 mm)試件的擴(kuò)散速率分別為5.13×107mm2/s,5.32×107mm2/s,17.20×107mm2/s,飽和吸水率分別為2.40%,2.48%,3.32%。對于相同厚度試件(都為1 mm),蒸餾水和飽和氯化鈉溶液中啞鈴型試件的擴(kuò)散速率都要高于平板型試件,且飽和氯化鈉溶液環(huán)境中的飽和吸水率都明顯低于蒸餾水環(huán)境中的試件;對于啞鈴型試件,蒸餾水和飽和氯化鈉溶液中1 mm試件的擴(kuò)散速率和飽和吸水率都低于2 mm試件,且相對而言,相同厚度的啞鈴型試件在飽和氯化鈉溶液環(huán)境中的飽和吸水率要明顯低于蒸餾水環(huán)境中的試件。除此之外,1 mm和2 mm厚啞鈴型試件在蒸餾水和飽和氯化鈉溶液中的擴(kuò)散速率都要高于平板型試件,這主要是因為啞鈴型試件更加有利于水分從不同方向擴(kuò)散至膠粘劑中,而平板試件的水分?jǐn)U散則主要從厚度方向進(jìn)行[10-11]。

表4 藝術(shù)設(shè)計裝飾專用膠粘劑試件的擴(kuò)散速率和飽和吸水率與試件類型的關(guān)系

3 結(jié)論

2)無論是標(biāo)準(zhǔn)固化還是后固化試件,蒸餾水環(huán)境和5%氯化鈉溶液環(huán)境下的膠粘劑試件的吸濕膨脹量都會隨著吸濕水分含量增加而逐漸增大,且相同吸濕水分含量的膠粘劑試件在蒸餾水環(huán)境下的吸濕膨脹量要高于5%氯化鈉溶液環(huán)境。

3)相同厚度的平板試件和啞鈴型試件,在鹽水環(huán)境中的吸濕量增加速度都相較蒸餾水中更快。對于蒸餾水環(huán)境,平板型(1 mm)試件、啞鈴型(1 mm)試件和啞鈴型(2 mm)試件的擴(kuò)散速率分別為 1.40×107mm2/s,2.37×107mm2/s,4.33×107mm2/s,飽和吸水率分別為11.34%,9.32%,10.06%;對于飽和氯化鈉溶液環(huán)境,平板型(1 mm)試件、啞鈴型(1 mm)試件和啞鈴型(2 mm)試件的擴(kuò)散速率分別為5.13×107mm2/s,5.32×107mm2/s,17.20×107mm2/s,飽和吸水率分別為2.40%,2.48%,3.32%。