胶黏剂服役期与玻璃化温度以及吸水性关系的预测

叶险峰， 白洪刚， 李 冰

（1.黑龙江省科学院石油化学研究院胶黏剂工程技术研究中心黑龙江哈尔滨150040；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080）

湿热老化试验虽然可以准确反应胶黏剂粘接接头性能变化趋势，但其测试时间长、设备复杂，不能快速反应粘接接头性能变化趋势。目前主要采用最小二乘法建立关系式，来预测胶黏剂达到服役期剪切强度的变化，这种预测方法准确性差，而且还是主要针对胶黏剂粘接金属材料，而其它预测方法和性能变化规律的研究则较少，此外关于建筑材料粘接接头的预测目前还没有人进行研究［1-5］。

本文利用已知数据推导出胶黏剂粘接炭纤维增强水泥接头在不同湿热老化温度下，达到服役期的老化时间的关系式。推导出粘接接头湿热老化时间与胶黏剂玻璃化温度以及吸水性的相互关系。建立了粘接接头在不同湿热老化条件下达到服役期时，玻璃化温度、吸水性与老化温度的关系式，并考核了以上关系式推导出的结果和实测值之间的误差。这种方法可以用来预测建筑材料粘接炭纤维增强水泥的性能，预测其寿命和性能。

1 实验部分

湿热老化实验：在湿热老化箱进行，相对湿度为98%～100%的不同温度下进行湿热老化，达到一定老化时间后取出粘接样品，常温放置48h，并在80℃烘干8h，于常温放置24h，除去表面和内部可能吸附的水分，再进行测试。

2 粘接接头服役期和湿热老化温度关系式的推导

水是水泥的固化剂，水在胶黏剂中的扩散存在可逆与不可逆两种形式。胶黏剂湿热老化时间与温度存在一定的等效关系。根据文献［5］胶黏剂服役期和老化温度之间的关系式为：

式中H—胶黏剂达到服役期时的老化时间(h)；—弱键强度有关的系数；

E—活化能(kJ/mol)；

T—温度(K)；

假设粘接接头服役期间的剪切强度为0.5MPa。将不同温度湿热老化条件下，胶黏剂粘接接头服役期和相应温度下的湿度数值代入(3)，可以计算出：=4710.41559，相关系数：

R=0.99533；湿热老化时间和温度的关系式：

表1 不同湿热老化条件下粘接接头的服役期Table 1 The working time of the joint under different conditions of humidity aging

3 湿热老化温度与玻璃化温度以及吸水性关系式的推导

在湿热老化条件下，胶黏剂吸收水分，并使之玻璃化温度下降，在45℃，RH98%～100%湿热老化条件下，由于胶黏剂湿热老化时间和吸水性和玻璃化温度存在线性关系［6］。根据图2和图3提供的数据，可以分别建立在45℃，RH98%～100%湿热老化条件下，湿热老化时间和胶黏剂玻璃化温度及其吸水性之间的关系式。

图155 ℃，RH98%～100%下粘接接头吸水性和老化时间的关系Fig.1 Relation of adhesive joint water absorption and humidity aging time at 55℃,RH98%～100%

图255 ℃，RH98%～100%下粘接接头中胶黏剂玻璃化转变温度和老化时间的关系Fig.2 Relation of humidity time and the adhesive Tg at 55℃,RH98%～100%

玻璃化温度与湿热老化时间的关系式：

H—湿热老化时间(h)。吸水性与湿热老化时间的关系式：

H—湿热老化时间(h)。

根据（5）和（6），可以确立玻璃化温度与吸水性关系式：

如果将不同湿热老化条件下的湿热老化时间换算成55℃，RH 98%～100%下的老化时间，就可以求出在不同湿热老化条件下，玻璃化温度和吸水性与老化时间的关系式。根据Arrhenius定律，在不同温度下，湿热老化时间之间的关系式：

式中H1——T1湿热老化温度下的老化时间(h);

H2——T2湿热老化温度下的老化时间(h);

T1——湿热老化温度(K);

T2——湿热老化温度(K)。

由于本文选择的最低湿热老化条件为55℃，RH98%～100%；湿热老化时间之间的关系可以表示为：

由此求出的活化能E为-78.23kJ/mol，这是考虑到水解、吸附等所有可逆和不可逆过程作用的计算结果，而前文只是考虑了不可逆过程，因此计算结果并不相同。

根据公式(9)，湿热老化时间与温度之间的关系，将不同条件下的湿热老化时间相应转化为55℃，RH98%～100%下的湿热老化时间，将(4)和(9)代入(7)，由此求出粘接接头达到服役期时玻璃化温度与湿热老化温度的关系式：

利用(10)计算的不同湿热老化条件下粘接接头达到服役期时湿热老化温度与胶黏剂玻璃化温度数值与实际测试值的偏差从表2可见，偏差均在1%以内，说明关系式(10)误差较小，可以用来预测不同湿热老化条件下粘接接头达到服役期时湿热老化温度与胶黏剂玻璃化温度的关系。将(4)和(9)代入(6)，粘接接头达到服役期时，胶黏剂吸水性与湿热老化温度的关系式：

利用(11)计算的不同湿热老化条件下粘接接头达到服役期时湿热老化温度与吸水性的数值与实际测试值之间的偏差从表3可见，均在4%以内。说明关系式(11)误差较小，可以用来预测不同湿热老化条件下粘接接头达到服役期时湿热老化温度与吸水性的关系。

表2 玻璃化转变温度和湿热老化条件的关系Table 2 The relation of adhesive Tg and humidity aging conditions

表3 胶黏剂吸水性和湿热老化条件的关系Table 3 The relation of adhesive water absorption and humidity aging conditions

4 结论

本文不仅推导出粘接接头在不同湿热老化温度下，达到服役期的老化时间，而且还推导出粘接接头湿热老化时间与胶黏剂玻璃化温度以及吸水性的相互关系。并建立了粘接接头在不同湿热老化条件下达到服役期时，玻璃化温度、吸水性与老化温度的关系式，考核了以上关系式推导出的结果和实测值之间的误差，说明玻璃化温度、吸水性与老化温度的关系式与实测值误差较小，可以用来预测三者之间的关系。

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