膠黏劑服役期與玻璃化溫度以及吸水性關(guān)系的預(yù)測

葉險峰， 白洪剛， 李 冰

（1.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院膠黏劑工程技術(shù)研究中心黑龍江哈爾濱150040；2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150080）

濕熱老化試驗雖然可以準(zhǔn)確反應(yīng)膠黏劑粘接接頭性能變化趨勢，但其測試時間長、設(shè)備復(fù)雜，不能快速反應(yīng)粘接接頭性能變化趨勢。目前主要采用最小二乘法建立關(guān)系式，來預(yù)測膠黏劑達(dá)到服役期剪切強度的變化，這種預(yù)測方法準(zhǔn)確性差，而且還是主要針對膠黏劑粘接金屬材料，而其它預(yù)測方法和性能變化規(guī)律的研究則較少，此外關(guān)于建筑材料粘接接頭的預(yù)測目前還沒有人進(jìn)行研究［1-5］。

本文利用已知數(shù)據(jù)推導(dǎo)出膠黏劑粘接炭纖維增強水泥接頭在不同濕熱老化溫度下，達(dá)到服役期的老化時間的關(guān)系式。推導(dǎo)出粘接接頭濕熱老化時間與膠黏劑玻璃化溫度以及吸水性的相互關(guān)系。建立了粘接接頭在不同濕熱老化條件下達(dá)到服役期時，玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關(guān)系式，并考核了以上關(guān)系式推導(dǎo)出的結(jié)果和實測值之間的誤差。這種方法可以用來預(yù)測建筑材料粘接炭纖維增強水泥的性能，預(yù)測其壽命和性能。

1 實驗部分

濕熱老化實驗：在濕熱老化箱進(jìn)行，相對濕度為98%～100%的不同溫度下進(jìn)行濕熱老化，達(dá)到一定老化時間后取出粘接樣品，常溫放置48h，并在80℃烘干8h，于常溫放置24h，除去表面和內(nèi)部可能吸附的水分，再進(jìn)行測試。

2 粘接接頭服役期和濕熱老化溫度關(guān)系式的推導(dǎo)

水是水泥的固化劑，水在膠黏劑中的擴(kuò)散存在可逆與不可逆兩種形式。膠黏劑濕熱老化時間與溫度存在一定的等效關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)［5］膠黏劑服役期和老化溫度之間的關(guān)系式為：

式中H—膠黏劑達(dá)到服役期時的老化時間(h)；—弱鍵強度有關(guān)的系數(shù)；

E—活化能(kJ/mol)；

T—溫度(K)；

假設(shè)粘接接頭服役期間的剪切強度為0.5MPa。將不同溫度濕熱老化條件下，膠黏劑粘接接頭服役期和相應(yīng)溫度下的濕度數(shù)值代入(3)，可以計算出：=4710.41559，相關(guān)系數(shù)：

R=0.99533；濕熱老化時間和溫度的關(guān)系式：

表1 不同濕熱老化條件下粘接接頭的服役期Table 1 The working time of the joint under different conditions of humidity aging

3 濕熱老化溫度與玻璃化溫度以及吸水性關(guān)系式的推導(dǎo)

在濕熱老化條件下，膠黏劑吸收水分，并使之玻璃化溫度下降，在45℃，RH98%～100%濕熱老化條件下，由于膠黏劑濕熱老化時間和吸水性和玻璃化溫度存在線性關(guān)系［6］。根據(jù)圖2和圖3提供的數(shù)據(jù)，可以分別建立在45℃，RH98%～100%濕熱老化條件下，濕熱老化時間和膠黏劑玻璃化溫度及其吸水性之間的關(guān)系式。

圖155 ℃，RH98%～100%下粘接接頭吸水性和老化時間的關(guān)系Fig.1 Relation of adhesive joint water absorption and humidity aging time at 55℃,RH98%～100%

圖255 ℃，RH98%～100%下粘接接頭中膠黏劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和老化時間的關(guān)系Fig.2 Relation of humidity time and the adhesive Tg at 55℃,RH98%～100%

玻璃化溫度與濕熱老化時間的關(guān)系式：

H—濕熱老化時間(h)。吸水性與濕熱老化時間的關(guān)系式：

H—濕熱老化時間(h)。

根據(jù)（5）和（6），可以確立玻璃化溫度與吸水性關(guān)系式：

如果將不同濕熱老化條件下的濕熱老化時間換算成55℃，RH 98%～100%下的老化時間，就可以求出在不同濕熱老化條件下，玻璃化溫度和吸水性與老化時間的關(guān)系式。根據(jù)Arrhenius定律，在不同溫度下，濕熱老化時間之間的關(guān)系式：

式中H1——T1濕熱老化溫度下的老化時間(h);

H2——T2濕熱老化溫度下的老化時間(h);

T1——濕熱老化溫度(K);

T2——濕熱老化溫度(K)。

由于本文選擇的最低濕熱老化條件為55℃，RH98%～100%；濕熱老化時間之間的關(guān)系可以表示為：

由此求出的活化能E為-78.23kJ/mol，這是考慮到水解、吸附等所有可逆和不可逆過程作用的計算結(jié)果，而前文只是考慮了不可逆過程，因此計算結(jié)果并不相同。

根據(jù)公式(9)，濕熱老化時間與溫度之間的關(guān)系，將不同條件下的濕熱老化時間相應(yīng)轉(zhuǎn)化為55℃，RH98%～100%下的濕熱老化時間，將(4)和(9)代入(7)，由此求出粘接接頭達(dá)到服役期時玻璃化溫度與濕熱老化溫度的關(guān)系式：

利用(10)計算的不同濕熱老化條件下粘接接頭達(dá)到服役期時濕熱老化溫度與膠黏劑玻璃化溫度數(shù)值與實際測試值的偏差從表2可見，偏差均在1%以內(nèi)，說明關(guān)系式(10)誤差較小，可以用來預(yù)測不同濕熱老化條件下粘接接頭達(dá)到服役期時濕熱老化溫度與膠黏劑玻璃化溫度的關(guān)系。將(4)和(9)代入(6)，粘接接頭達(dá)到服役期時，膠黏劑吸水性與濕熱老化溫度的關(guān)系式：

利用(11)計算的不同濕熱老化條件下粘接接頭達(dá)到服役期時濕熱老化溫度與吸水性的數(shù)值與實際測試值之間的偏差從表3可見，均在4%以內(nèi)。說明關(guān)系式(11)誤差較小，可以用來預(yù)測不同濕熱老化條件下粘接接頭達(dá)到服役期時濕熱老化溫度與吸水性的關(guān)系。

表2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和濕熱老化條件的關(guān)系Table 2 The relation of adhesive Tg and humidity aging conditions

表3 膠黏劑吸水性和濕熱老化條件的關(guān)系Table 3 The relation of adhesive water absorption and humidity aging conditions

4 結(jié)論

本文不僅推導(dǎo)出粘接接頭在不同濕熱老化溫度下，達(dá)到服役期的老化時間，而且還推導(dǎo)出粘接接頭濕熱老化時間與膠黏劑玻璃化溫度以及吸水性的相互關(guān)系。并建立了粘接接頭在不同濕熱老化條件下達(dá)到服役期時，玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關(guān)系式，考核了以上關(guān)系式推導(dǎo)出的結(jié)果和實測值之間的誤差，說明玻璃化溫度、吸水性與老化溫度的關(guān)系式與實測值誤差較小，可以用來預(yù)測三者之間的關(guān)系。

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