环氧树脂胶粘剂加速老化试验及贮存寿命评估

2021-03-19佘祖新李茜张凯何建新王玲文邦伟

环境技术 2021年1期

佘祖新，李茜，张凯，何建新，王玲，文邦伟

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039； 2.重庆江津大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，江津 402260）

引言

环氧树脂胶是一种重要的热固性树脂胶水，因其具有优良的机械性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、粘接强度高，是非常重要的一类胶粘剂，广泛应用于包装、建筑、汽车、电子、制鞋、纺织、塑料、木材、光学、医疗卫生、航空航天、海洋运输等领域[1-3]。但是各种环境因素会使这类高分子材料发生老化，影响其使用寿命[4]。本文针对某型环氧树脂胶粘剂开展加速老化试验，以拉伸剪切强度作为老化特性指标，基于Arrhenius模型进行贮存寿命评估。

1 实验方法

1.1 试验样品

胶粘剂主要成分为环氧树脂、二丁酯、CHG-334固化剂，固化条件为室温24 h。

参照标准GB/T 7124-2008，按照胶粘材料清洗、胶粘剂调配、胶粘和固化流程，进行环氧树脂胶粘剂剪切试样制备，胶粘材料为2A12。

1.2 测试分析方法

采用instron公司5582型精密万能材料试验机检测力学性能；采用光学显微镜观察界面形貌；采用美国Thermo公司ESCALAB250型X射线光电子能谱仪（XPS）测试组成元素；采用美国Thermo公司IN10MX型显微红外光谱仪测试样品组成。

表1 胶粘剂界面破坏形式

2 结果和讨论

2.1 失效模式分析

胶粘剂界面在外力作用下会产生破坏，破坏形式如表1所示。

某型环氧树脂胶粘剂拉伸剪切试样测试后样品见图1，图中环氧树脂样品粘接试片沿着胶层界面破坏，粘接金属样片表面光洁，其破坏模式为粘附破坏。

2.2 加速老化试验结果

某型环氧树脂胶粘剂剪切试样在130 ℃、160 ℃和170 ℃温度条件下开展加速老化试验，三种温度条件下都出现剪切强度随老化时间增长而降低的现象，以剪切强度保留率进行作图，结果数据见图2。

2.3 加速老化试验结果分析

2.3.1 贮存寿命预测数据处理模型

在热老化过程中，其老化特性指标P与老化时间τ的关系可用经验公式（1）进行描述：

式中：

P—老化时间为τ的老化特性指标；

τ—老化时间，d（天）；

K—性能变化的速率常数，d-1（天）；

A—常数。

如果试验数据计算结果显示lnP与τ线性相关系数低于查表值时，可将式（1）修正为式（2）来描述性能指标P与老化时间τ的关系：

式中：

α—常数；其它参数的意义与（1）式相同。

老化特性指标变化的速率常数K与温度T的关系服从Arrhenius方程：

式中：

T—绝对温度，单位为K；

E—表观活化能，J·mol-1；

Z—频率因子，d-1；

图1 拉伸剪切试样破坏模式

图2 剪切强度保留率随老化时间的变化曲线

R—气体常数，J·K-1·mol-1。

通过评估对象热老化试验数据可计算得出不同温度条件下的老化速率常数，进而可外推预测贮存温度（通常为25℃）条件下的老化速率常数。设定老化特性指标保留率为某一确定值作为失效临界值，贮存温度为25℃条件下，计算出评估对象的贮存寿命[5,6]。

2.3.2 热老化试验数据结果分析

环氧树脂胶粘剂热老化试验数据经归一化处理后见图3，按2.2.1中数据处理方法对130 ℃、160 ℃和170 ℃试验结果数据进行拟合，拟合结果见表2，相关系数满足95 %置信度查表值要求。外推25 ℃性能时间规律结果见表3，其中相关系数满足95 %置信度查表值要求。25 ℃时不同性能变化率的预测结果见表4。

在拉伸剪切强度性能保留率70 %条件下，某型环氧树脂胶粘剂25 ℃的预测结果为30.9年。