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胶粘剂的老化稳定性分析

老化是指材料或者粘接头随着时间的推移而发生的性能的改变。老化是由外部环境或者材料自身加工过程引起的。影响因素有机械应力、温度、辐射和介质(如水)。胶粘剂本身含有的一些物质也可能导致粘接头的性能变化。除了受到各种不同的影响因素外,粘接头中发生的老化的位置也会不同。老化可能发生在内聚层、粘附层或者基材材料上。老化是由几种因素共同作用引起的,但是这些影响因素很难被彻底测量和预测。

机械应力

粘接接头可能处于下面几种机械应力:A剥离应力,B拉伸应力,C剪切应力,D扭转应力。

剥离应力导致在粘接接头处受到较高的线受力,该应力远超过大多数胶粘剂的强度。当进行粘接接头结构设计时,必须确保避免粘接接头承受这类剥离应力。

当承受拉伸载荷时,作用力是垂直于粘接面的。力的传递穿过整个粘接面,原则上粘接接头承受拉伸应力是不存在问题的。拉伸应力一般只在对接接头中会碰到,对接接头通常粘接面小,只能通过改变基材的厚度来增大粘接面积。由于通常情况下基材强度超过了胶的拉伸强度,因此充分利用基材强度的设计是不可能实现的。

粘接接头承受的最佳应力类型是剪切应力,因为这种应力是平行于粘接面的。剪切应力存在于粘接的搭接接头,通常具有足够大的粘接面积。如果已有的粘接面积无法承受足够的载荷,也可以相对容易地通过增加粘接面积来增加粘接承受的载荷。

扭转应力类似于剪切应力,粘接接头对压缩应力不敏感。随着时间的延长,任何类型的机械应力都会引起粘接接头的老化,例如可能产生永久性的变形(蠕变)或者形成裂纹。机械应力也可能会加剧其他老化因素的影响(如,水汽导致的接头破坏)。

环境影响

在使用的过程中,粘接接头暴露于不同的环境影响中。这些影响因素可能同时发生作用,而且相互之间会产生影响。

1、温度和辐射影响


对化学反应最主要的影响因素是温度。温度越高,越容易发生化学反应且反应速度越快。这样的反应通常会导致接头的性能变化(通常是不希望的)。高温条件下机械应力对粘接接头的破坏会大大加速,般认为,温度升高会加速老化。

辐射也是引起粘接接头老化的影响因素之一(包括太阳光中的紫外线)。胶粘剂和塑料基材中的高分子链易受到辐射的破坏。特别是聚氨酯对紫外线非常敏感。

2、水

湿气能渗透(扩散)到已经固化的胶层中,并被胶层吸收。这些被吸收的水分降低了胶的强度。因为水在高分子链之间扮演了润滑剂的作用(增塑剂效应),使得分子链之间更容易滑动。水分渗透进胶层的速度很低,但是持续性的。在40℃温度下,水对于交联结构聚合物渗透速率大约为每个月几个毫米。当粘接接头被干燥后,内聚强度重新上升,但无法回到原先的水平。粘接接头暴露于湿气中产生的最大问题是降低了基材与胶粘剂之间的粘附力。水渗透进入了粘接接头后粘附力减弱。胶粘剂与基材粘附力减弱通常也是个缓慢的过程。胶与基材表面形成的化学键比物理相互作用力的耐水性更好。一旦化学键遭到破坏,干燥后粘附力不能再恢复。防止粘接接头不受水汽影响的最好办法是远离水。如果无法达到,可将接头密封起来。

3、腐蚀

对于金属基材粘接接头,与吸收水汽紧密相关的是基材的腐蚀。基材的腐蚀导粘接接头在短期内快速失效,因此腐蚀也是很关键的方面。腐蚀通常很快发生,特别是除了水之外还有一些加速腐蚀的介质存在(例如: 盐、酸、碱,等),能从外部或从胶层里面侵蚀基材。但是在很多情况下这种效应可以加以控制,如将整个基材保护起来或仅对粘接区域进行保护。


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