環境對汽車零件修復用膠接接頭性能的影響

時紅宇

(安徽汽車職業技術學院 汽車工程系，合肥 230601)

分子鏈中含有—NHCOO—基團或—NCO—基團的膠粘劑稱為聚氨酯膠粘劑，這種膠粘劑由于具備良好的抗剪切強度和抗沖擊特性等而在汽車零件修復中有著廣泛應用[1]。隨著汽車零部件使用環境改變和對汽車零件要求的提高，膠接接頭需要長期承受高溫、高濕和載荷耦合作用，這就對膠粘劑及其膠接接頭提出了更高的要求[2-3]。然而，實際應用過程中影響膠接接頭力學性能的影響因素較多，如高溫、濕度和靜載荷等[4-6]，這些參數對聚氨酯膠粘劑膠接接頭的力學性能影響規律及其具體作用機理仍然不清楚[7]。本文考察了高溫、高溫高濕和高溫高濕載荷耦合條件下膠接接頭的力學性能變化，并擬合了失效強度與老化時間的關系式，結果有助于汽車零件修復用膠接接頭性能老化機理的研究及預測膠接接頭的服役壽命等。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

本文選取的汽車零件基材為西南鋁業股份有限公司提供的6082鋁合金(密度2 730 kg/m3、泊松比0.33、楊氏模量71 000 MPa)，膠粘劑選用山東華誠高科膠粘劑有限公司提供的M-52C型單組分聚氨酯膠粘劑(表干時間45 min、泊松比0.45、密度1 200 kg/m3)。

1.2 試驗儀器與設備

HE-WS-150C8系列高低溫濕熱環境氣候箱，東莞市豪恩檢測儀器有限公司；CMT5105型微機控制電子萬能試驗機，濟南美特斯測試技術有限公司；華為P40手機，華為技術有限公司。

1.3 試件制備

根據GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法》制備單搭膠接接頭試樣，其尺寸如圖1所示。對鋁合金試樣進行黏接前，采用120#砂紙將表面打磨干凈，然后清水沖洗干凈后吹干備用，采用M-52C型單組分聚氨酯膠粘劑膠接后進行5 MPa壓力條件下固化24 h，卸載后繼續固化36 h，并保持室溫和60%相對濕度。在高低溫濕熱環境氣候箱中對膠接接頭試樣進行不同時間和環境的老化處理[8]，老化時間為0～30 d，高溫高濕載荷耦合試驗中靜載荷為200 N。

(a)正面

1.4 測試與表征

采用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機對膠接接頭試樣進行室溫拉伸性能測試，拉伸速率為2 mm/min，結果為5組試樣測試結果平均值；采用華為P40手機對膠接接頭斷面進行形貌拍攝。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫老化

圖2為老化時間對膠接接頭失效載荷的影響，此時溫度為80 ℃。可見，隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效載荷呈現逐漸降低的趨勢；在老化時間為0 d時，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當老化時間為30 d時，膠接接頭的失效載荷為5 316 N，相較于老化時間為0 d時約下降了5.49%，對汽車零件修復用膠接接頭進行30 d高溫老化并不會對膠接接頭的失效載荷產生明顯影響。

圖2 老化時間對膠接接頭失效載荷的影響

圖3為老化時間對膠接接頭失效強度的影響，此時溫度為80 ℃，名義失效強度為失效載荷與黏結面積的比值。可見，隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效強度呈現逐漸降低的趨勢，但是對汽車零件修復用膠接接頭進行30 d高溫老化并不會對膠接接頭的失效強度產生明顯影響。分別對不同老化時間下膠接接頭的失效強度進行二次多項式函數擬合、三次多項式函數擬合和指數函數擬合，可以得到膠接接頭失效強度與老化時間的擬合關系式，分別為：y=9.01-0.038x+6.35×10-4x2、y=9.04-0.053x+1.93×10-1x2-2.96×10-5x3和y=8.33-0.71e-0.07x，擬合擾度值分別為0.998，0.987，0.984，表明擬合度較高[9]。

圖3 老化時間對膠接接頭失效強度的影響

2.2 高溫高濕

圖4為高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時間對膠接接頭失效載荷的影響，此時溫度為80 ℃、相對濕度為95%。隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效載荷呈現逐漸降低的趨勢；在老化時間為0 d時，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當老化時間為30 d時，高溫高濕膠接接頭的失效載荷為3 260 N，相較于老化時間為0 d時下降了42.04%。可見，高溫高濕條件下汽車零件修復用膠接接頭進行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低。此外，在相同老化時間下，高溫老化膠接接頭的失效載荷要明顯高于高溫高濕老化接頭。在高溫高濕老化條件下，初期老化6 d時間內，膠接接頭的失效載荷下降較為明顯，這主要是因為高溫高濕老化條件下初期膠接接頭會發生水分揮發與擴散現象，從而造成膠粘劑與水產生塑化(水分子與極性基形成氫鍵所致)，且水分揮發會造成膠粘劑分子主鏈發生斷裂，兩方面共同作用下膠接接頭的強度減小；但是隨著老化時間的延長，水分揮發作用減小，水解作用減弱，膠接接頭的失效載荷下降速率有所減緩。

圖4 高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時間對膠接接頭失效載荷的影響

圖5為高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時間對膠接接頭失效強度的影響，此時溫度為80 ℃、相對濕度為95%，名義失效強度為失效載荷與黏結面積的比值。可見，隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效強度呈現逐漸降低的趨勢，且對汽車零件修復用膠接接頭進行30 d高溫高濕老化會對膠接接頭的失效強度產生明顯影響。分別對不同老化時間下膠接接頭的失效強度進行二次多項式函數擬合、三次多項式函數擬合和指數函數擬合，可以得到膠接接頭失效強度與老化時間的擬合關系式，分別為：y=8.70-0.28x+5.63×10-3x2、y=8.95-0.47x+2.29×10-2x2-3.85×10-4x3和y=5.31+3.68e-0.15x，擬合擾度值分別為0.934，0.979，0.980，擬合擾度值都較高，表明3種擬合關系式都可以較好地反映高溫高濕條件下膠接接頭失效強度與老化時間的關系。

圖5 高溫老化和高溫高濕老化條件下老化時間對膠接接頭失效強度的影響

2.3 高溫高濕載荷耦合

圖6為高溫高濕載荷耦合條件下老化時間對膠接接頭失效載荷的影響，此時溫度為80 ℃、相對濕度為95%。隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效載荷呈現逐漸降低的趨勢；在老化時間為0 d時，膠接接頭的失效載荷為5 625 N，而當老化時間為30 d時，膠接接頭的失效載荷為3 236 N，相較于老化時間為0 d時約下降了42.47%。可見，高溫高濕載荷耦合條件下汽車零件修復用膠接接頭進行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低。此外，在相同老化時間下，高溫高濕老化膠接接頭的失效載荷要略高于高溫高濕載荷耦合老化接頭，二者的失效載荷隨老化時間的變化趨勢基本相同。總體來講，在高溫高濕條件下進一步耦合靜載荷，相同老化時間下膠接接頭的失效載荷會進一步降低，這主要是因為靜載荷是施加會使得膠接接頭中的膠結劑發生一定程度的蠕變，且膠層中的水分擴散會由于靜載荷的存在而加速擴散[10]，引起膠粘劑膠接接頭老化現象更加嚴重。

圖6 高溫高濕載荷耦合條件下老化時間對膠接接頭失效載荷的影響

圖7為高溫高濕載荷耦合條件下老化時間對膠接接頭失效強度的影響，此時溫度為80 ℃、相對濕度為95%，名義失效強度為失效載荷與黏結面積的比值。可見，隨著老化時間從0 d增加至30 d，汽車零件修復用膠接接頭的失效強度呈現逐漸降低的趨勢，且對汽車零件修復用膠接接頭進行30 d高濕載荷耦合老化會對膠接接頭的失效強度產生明顯影響。分別對不同老化時間下膠接接頭的失效強度進行二次多項式函數擬合、三次多項式函數擬合和指數函數擬合，可以得到膠接接頭失效強度與老化時間的擬合關系式，分別為：y=8.85-0.41x+1.31×10-2x2、y=9.01-0.69x+6.18×10-2x2-2.03×10-3x3和y=5.42+3.56e-0.17x，擬合擾度值分別為0.958，0.991，0.978，擬合擾度值都較高，表明3種擬合關系式都可以較好地反映高溫高濕載荷耦合條件下膠接接頭失效強度與老化時間的關系。

圖7 高溫高濕載荷耦合條件下老化時間對膠接接頭失效強度的影響

圖8為不同老化條件下膠接接頭斷面形貌，分別列出了老化時間為0 d、高溫老化16 d、高溫高濕老化16 d和高溫高濕載荷耦合老化16 d后膠接接頭斷面形貌。對比分析可見，相較于老化時間為0 d的試樣，高溫老化16 d后斷面出現了較多的褶皺；在高溫老化條件下耦合高濕條件，膠接接頭斷面褶皺更加嚴重、粗糙度增大，這主要與此時膠粘劑發生水解等有關[11]；繼續在高溫高濕條件下耦合載荷，膠接接頭斷面更加粗糙、起伏更大，這主要是因為載荷耦合會促使膠粘劑發生蠕變并加速水解而造成老化現象愈發突出[12]。整體而言，高溫條件下耦合高濕會顯著降低膠接接頭的失效載荷和失效強度，且繼續耦合靜載荷會進一步降低膠接接頭的失效載荷和失效強度。

(a)0 d

3 結論

1)隨著老化時間延長，汽車零件修復用膠接接頭的失效載荷呈現逐漸降低的趨勢，對汽車零件修復用膠接接頭進行30 d高溫老化并不會對膠接接頭的失效載荷產生明顯影響。

2)隨著老化時間從0 d增加至30 d，高溫高濕條件下汽車零件修復用膠接接頭的失效載荷呈現逐漸降低的趨勢，高溫高濕條件下汽車零件修復用膠接接頭進行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低，且在相同老化時間下，高溫老化膠接接頭的失效載荷要明顯高于高溫高濕老化接頭。

3)高溫高濕載荷耦合條件下汽車零件修復用膠接接頭進行30 d老化后膠接接頭的失效載荷明顯降低；在相同老化時間下，高溫高濕老化膠接接頭的失效載荷要略高于高溫高濕載荷耦合老化接頭，二者的失效載荷隨老化時間的變化趨勢基本相同。