王紅兵,佘濟(jì)云

(1.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jì)裝飾等領(lǐng)域。在藝術(shù)設(shè)計(jì)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?yàn)槟z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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,藝術(shù)設(shè)計(jì)裝飾用專用膠粘劑會(huì)在長(zhǎng)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(duì)藝術(shù)設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)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(jì)裝飾用專用膠粘劑的開(kāi)發(fā)和服役性能提升。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

氯化鈉,工業(yè)級(jí),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司出品;蒸餾水,實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)儀器與設(shè)備

M2型高低溫環(huán)境箱,中機(jī)試驗(yàn)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(cè)微器,西瓦卡精密量?jī)x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(wàn)能試驗(yàn)機(jī),美國(guó)MTS公司出品。

1.3 試驗(yàn)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(shí)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(jiǎn)稱為D-Water;組2,50 ℃的5%氯化鈉溶液環(huán)境,標(biāo)準(zhǔn)固化,簡(jiǎn)稱為S-Water;組3,50 ℃蒸餾水環(huán)境,后固化,簡(jiǎn)稱為D-Water-Post;組4,50 ℃的5% 氯化鈉溶液環(huán)境,后固化,簡(jiǎn)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(duì)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(duì)象。

1.4 測(cè)試與表征

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中對(duì)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(shí)間t時(shí)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(shí)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(jì)裝飾專用膠粘劑試件的濕度擴(kuò)散特性測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn),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?yàn)?%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(jiàn),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(jì)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(jì)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(duì)比可見(jiàn),無(wú)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(huì)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(jì)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(jì)裝飾專用膠粘劑試件的吸濕膨脹特性。對(duì)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(duì)后者較小。此外,無(wú)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(duì)較小。這主要是因?yàn)?%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(duì)試件的水分?jǐn)U散會(huì)更加敏感[8-9],相應(yīng)地會(huì)使試件具有更高的吸濕膨脹系數(shù)。

表2 藝術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)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(huì)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(jì)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(jiàn),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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?yàn)閱♀徯驮嚰佑欣谒謴牟煌较驍U(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(jì)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(wú)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(huì)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(duì)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(duì)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%。