丙烯酸泡棉壓敏膠耐環境性能測試分析

舒曉寧

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

目前汽車行業廣泛采用膠粘劑、膠帶替代傳統的焊接、鉚接等工藝。丙烯酸泡棉壓敏膠以高密度彈性發泡體為基材，因為其具有良好的粘接性能、密封性能、緩沖性能被大量應用在汽車外飾件固定中，如：車身護板、車身鍍鉻裝飾件、銘牌等[1]。由于外飾件的材質多為工程塑料，其熱膨脹系數高于車身鈑金的熱膨脹系數[2]，因此外飾件所采用的雙面壓敏膠除了對膠帶粘貼的剝離強度、剪切強度和持久性等有一定要求外，還應具備優良的耐環境性能。文章考察了各種環境條件對壓敏膠粘接性能的影響，測試了壓敏膠的剝離強度與剪切強度，對其粘接性能進行了綜合評價，旨在優化篩選過程中的試驗，減少壓敏膠試驗的工作量。

1 粘附及失效機理

壓敏膠是一種同時具備液體粘性和固體彈性的粘彈性體[3]3。壓敏膠主要成分為高分子，當高分子材料在使用溫度范圍為半固態時，就呈現出特有的粘彈特性[4]。壓敏膠的粘彈性與膠粘劑的聚合工藝、配方、使用環境、粘貼工藝密不可分。在實際應用中，壓敏膠膠接接頭的強度主要取決于2 個方面：1）膠粘劑本身的內聚力；2）膠粘劑與被粘物之間的粘附力[5]。當內聚力失效時會出現膠層破壞，有殘膠滯留；粘附力失效時會出現界面粘合破壞，表現為沒有殘膠。2 種失效同時發生時會出現混合破壞。

2 壓敏膠性能測試

2.1 試驗條件

對壓敏膠性能進行測試的根本目的在于檢測各種環境條件下壓敏膠的粘接是否會失效。根據汽車外飾件所處的環境，模擬了汽車在高溫、低溫、高溫高濕以及清洗劑環境下的情況，以考察環境因素對壓敏膠性能的影響。試驗的具體參數，如表1 所示。

表1 壓敏膠耐環境性能試驗條件

2.2 試驗內容與方法

試驗抽取4 種膠帶產品進行測試，分別用A，B，C，D 表示。A，B，C，D 產品均為相關廠商提供的3M或德莎丙烯酸泡棉膠帶。

按照GB/T 2792—2014《膠粘帶剝離強度的試驗方法》中的方法1 進行剝離強度試驗，剝離速度為（300±10）mm/min。將每種產品裁切制成3 個樣品，測試結果取3 個樣品的平均值。因本試驗目的在于考核壓敏膠在汽車外飾件中的粘合性能，因此鋼板均經過涂漆處理，如圖1 所示。180°剝離試驗相對于90°剝離試驗操作簡便，測試結果分散性較小，該方法測試的剝離強度是重要的實用粘合性能之一。

圖1 涂漆鋼板示意圖

剪切強度試驗按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行。在本次試驗中，為模擬實際粘合狀態，試板分別采用了ABS試板和涂漆鋼板。使用GB/T 2792—2014 的輥壓裝置，來回滾壓制成的試樣3 次，以提高親和力。將每種產品裁切制成3 個樣品，測試結果取3 個樣品的平均值。

3 結果與討論

3.1 剝離強度

剝離強度試驗主要測試壓敏膠的粘接性能。試驗所采用的樣品在供貨狀態下均出現剝離不足25 mm膠帶內部（泡棉層+膠粘劑層）破裂的現象，因此剝離強度不能計數。內部破壞以內部撕裂為主，撕裂膠帶邊緣混合界面粘合破壞。膠帶內部撕裂表明測試樣品的粘附力大于壓敏膠整體的強度。當外加拉力持續增大時，內應力分布逐漸趨于集中，產生裂縫并迅速擴展出現基材與膠層內部均撕裂的現象。這種內聚破壞表明壓敏膠抗剝離能力較好。

B，C，D 3 種產品經耐高溫、耐潮濕以及耐清洗劑試驗后，在剝離強度試驗測試中所有樣品都出現剝離不足25 mm 膠帶內部破裂現象，結果不能為剝離強度計數，但可以表明試驗樣品仍具有較好的抗剝離強度，這3 種產品耐高溫、耐潮濕以及耐清洗劑的能力較好。在外飾件如字標、標志牌、裝飾條等的應用中，剝離試驗時壓敏膠的內部破壞可以被認可。

產品A 在耐寒性剝離強度測試過程中沒有出現內部破裂現象，表明該產品相對于其他產品對低溫更為敏感，耐寒性試驗后樣品的粘附力小于壓敏膠整體的強度。在低溫環境中，分子運動能力減弱，無法有效浸濕被粘制件表面，壓敏膠變硬，粘性下降甚至消失；另一方面，膠帶的內聚力增加。因此，在低溫情況下壓敏膠容易剝離，在極限低溫環境下出現粘接失效的概率增加。耐潮濕性較差的膠帶，在低溫恢復至常溫的過程中，樣品表面會因結霜受潮氣影響而降低粘接強度。

3.2 剪切強度

剪切強度試驗主要測試粘接后，壓敏膠抵抗對手件重力剪切的性能。其主要取決于壓敏膠粘劑的內聚強度和粘合強度，也與基材或被粘物的性質，尤其是表面性質相關[3]103。因此文章中對不同產品的剪切強度不做橫向對比。

供貨狀態下，所有樣品的破壞形式以基材內部破裂為主。環境試驗后壓敏膠剪切強度的變化趨勢，如表2 所示。從表2 中可以得知：耐熱試驗后樣品的剪切強度均顯著增加；耐潮濕、耐清洗劑試驗后剪切強度基本保持不變或輕微下降，影響較小；耐寒試驗后剪切強度呈現顯著下降趨勢。

表2 環境試驗后壓敏膠的剪切強度變化%

在高溫環境下，隨著熱老化時間的延長，膠粘劑的內聚強度降低，流動性提高。根據微機械嵌定理論，由于試板的潤濕性提高，恢復至常溫時膠粘劑會表現出更高的膠結強度，因此耐高溫后所有樣品均出現單一的基材內部破裂的破壞形式，如圖2 所示。

圖2 耐高溫后剪切試驗壓敏膠膠接接頭內部破壞示意圖

在潮濕環境中，濕氣一般通過膠粘劑水解或滲入膠層取代粘接界面的膠粘方式影響粘接強度。丙烯酸泡棉壓敏膠具有優良的濕度耐受性，粘貼后濕氣無法與粘貼表面接觸，因此并沒有顯著影響粘接效果。耐清洗劑試驗后膠粘劑剪切強度變化不明顯，清洗劑的主要成分是乙醇，1 h 浸泡并沒有對膠粘劑或基材產生較大影響。因此部分樣品出現少量界面粘合破壞和基材內部破裂相混合的接頭破壞形式，造成粘附面積減少，也表現出剪切強度降低的現象。耐清洗劑后剪切試驗接頭界面粘和破壞示意圖，如圖3 所示。

圖3 耐清洗劑后剪切試驗壓敏膠膠粘接頭界面粘和破壞示意圖

4 結論

對丙烯酸泡棉壓敏膠在汽車外飾件中應用的情況進行測試，采用涂漆鋼板和ABS 板模擬粘接的實際對手件，得出：1）剝離強度試驗中，樣品接頭破壞以內部破壞現象為主時較難測出剝離強度，可以根據接頭破壞類型大致判斷環境試驗對剝離強度的影響；2）耐寒性試驗對丙烯酸泡棉壓敏膠剝離強度與剪切強度影響較為明顯，可以優先考慮進行耐寒后的性能測試。