丙烯酸酯胶粘剂用于玻璃粘接的老化性能研究
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作者:杨忠奎 胡生祥 屈雪艳 张燕 吴欢 曹兴园
摘 要：文章选取了2种市场常用的丙烯酸酯胶粘剂作为研究对象，研究了其在高温（80℃）、湿热（50℃/95%RH）、清洁剂、酸雾、盐雾、冻融老化条件下对钢化玻璃-不锈钢粘接性能的变化情况。结果表明，在上述老化条件下，2种胶粘剂对不锈钢的粘接均优于对玻璃的粘接;用于玻璃基材的粘接时，粘接接頭耐湿热和耐冻融性能良好，但其耐清洁剂、耐盐雾、耐酸雾老化性能较差;粘接接头的耐高温性能与胶粘剂产品自身配方有关，在使用前需做耐温性验证试验。因此，在清洁剂、盐雾、酸雾环境中，不建议使用丙烯酸酯胶粘剂作为玻璃结构的粘接材料。
关键词：玻璃结构;丙烯酸酯胶粘剂;剪切强度;老化
中图分类号：TQ433.4+36 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2020）10-0001-04
Abstract：In this paper， two kinds of acrylate adhesives commonly used in the market were selected as the research objects， and the changes of bonding properties of toughened glass-stainless steel were studied by accelerated ageing such as high temperature （80℃）， damp heat （50℃/ 95%RH）， detergent， acid mist， salt mist and freeze-thaw aging. The results show that under the above aging conditions， the bonding of stainless steel with two kinds of adhesives is better than that of glass; when used for bonding glass substrates， the adhesive joint has good resistance to humidity and heat and freeze-thaw resistance， but its resistance to cleaning agents， salt spray， and acid spray are poor; the high temperature resistance of the adhesive joint is related to the formula of the adhesives， and the temperature resistance verification test should be carried out before use. Therefore， it is not recommended to use acrylate adhesive as bonding material for glass structure in the environment of detergent， salt spray and acid mist environments.
Key words：glass structure; acrylate adhesive; shear strength; aging
0 引言
玻璃作为一种耐用、质轻、通透的建筑材料，一直受到建筑设计师们的青睐，尤其是在幕墙领域，其使用已有上百年历史。近十年来，随着对夹胶玻璃和高强玻璃研究的不断深入，以玻璃作为主要受力结构的建筑形式不断涌现，如玻璃栈道、玻璃桥、玻璃楼梯、玻璃屋等。然而，国内在玻璃结构的设计、施工、工程验收、使用维护以及性能评定等方面，目前并未形成明确的规范，在工程实际中容易出现为了过度追求安全性而将安全冗余设计的过高而造成资源的浪费，或者安全冗余设计的不足而产生一定的安全隐患。因此，开展玻璃结构技术的研究，形成用于指导工程实际的技术规范势在必行。而胶粘剂作为玻璃结构领域的重要组成部分之一，对胶粘剂粘接性能和耐候性能开展相关的研究对于玻璃结构领域胶粘剂的选型和使用以及完善我国标准体系具有重要的指导意义。
文章以两种市场常用的丙烯酸酯胶粘剂A1和A2为试验对象，借鉴GB50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 [1]以及JG/T475《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》 [2]中的相关老化试验方法，研究了A1和A2对钢化玻璃和不锈钢基材的粘接老化性能，老化试验项目包括高温老化、湿热老化、酸雾老化、盐雾老化、清洁剂浸泡老化、冻融老化等。
1 试验部分
1.1 试验材料
丙烯酸酯胶粘剂A1、A2：市售;钢化玻璃：50mm×50mm×6mm，河南中玻玻璃有限公司;不锈钢：100mm×25mm×2mm，郑州市华浩机械加工部。
1.2 试验设备
电子万能试验机，郑州中原思蓝德高科股份有限公司;电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9140A，上海鸿都电子科技有限公司;二氧化硫试验箱，东莞市伟煌试验设备有限公司;清洁剂老化试验箱，郑州中原思蓝德高科股份有限公司;盐雾腐蚀试验箱，上海林频仪器股份有限公司;可程式恒温恒湿试验箱，东莞市伟煌试验设备有限公司。
1.3 试样制备
1）参照GB/T 2567-2008《树脂浇注体性能试验方法》 中5.1和5.2的方法要求，制备拉伸性能和压缩性能测试试片。
2）参照GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测试（刚性材料对刚性材料）》 ，制备不锈钢-不锈钢和不锈钢-钢化玻璃剪切试片（粘接面长度为12.5mm，胶层厚度为0.2mm），如图1所示。 1.4 老化试验项目及方法
1.4.1 高温老化试验。
将养护后的试片放入电热恒温鼓风干燥箱中，温度设定为80℃，分别处理30d、60d、90d后取出，在标准条件[温度（23±2）℃、相对湿度（50±5） %]下测试其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
1.4.2 湿热老化试验。
将养护后的试片放入可程式恒温恒湿试验箱中，温度设定为50℃，湿度设定为95%，分别处理30d、60d、90d、120d后取出，在标准条件下测试其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
1.4.3 清洁剂浸泡老化试验。
将养护后的试片放入清洁剂老化试验箱（清洁剂溶液浓度为1%）中，温度设定为（45±1）℃，分别浸泡10d、20d、30d后取出，在标准条件下测试其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
1.4.4 酸雾老化试验。
将养护后的试片放入二氧化硫试验箱（SO2气体浓度为0.2L/300mL）中，温度设定为（40±3）℃，经过30个循环后取出，在标准条件下测试其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
1.4.5 盐雾老化试验。
将养护后的试片放入盐雾腐蚀试验箱（NaCl溶液浓度为5%）中，温度设定未（35±1）℃，老化处理30d后，在标准条件下测试其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
1.4.6 耐冻融试验。
将养护后的试片放置于-25℃～35℃冻融循环温度下，每个循环8h，经50次循环后，在标准条件下测試其拉剪强度，并记录试片粘接破坏形式。
2 结果与讨论
2.1 丙烯酸酯胶粘剂的性能
A1和A2基本性能如下表1所示。
从表1可以看出，在本体性能方面，A1在拉伸性能和压缩性能方面均优于A2;在粘接性能方面，A1对不锈钢和玻璃两种基材均具有较高的粘接强度，且试片破坏类型均为内聚破坏，而A2对不锈钢基材的粘接强度大于对玻璃基材的粘接强度，且对不锈钢基材的粘接破坏类型为内聚破坏，对玻璃基材的粘接破坏类型为粘附破坏。综上所述，在标准条件下，2种丙烯酸酯胶粘剂本体性能虽有差异，但对不锈钢及玻璃基材均具有良好的粘接性能，因此下文均以不锈钢-钢化玻璃试片对2种丙烯酸酯胶粘剂进行相关老化性能研究。
2.2 温度对两种丙烯酸酯胶粘剂A1和A2剪切强度的影响
从图2可以看出，当温度从-40℃升至80℃时，A1和A2的剪切强度均随温度的升高而逐渐下降。其中A1的剪切强度保持率在40℃时为76.3%，在60℃时为34.2%，在80℃时仅为20%，A2的剪切强度保持率在40℃时为52%，在60℃时为26%，在80℃时仅为15.5%，且A1和A2在60℃以上均表现为玻璃表面粘附破坏，表明A1和A2对玻璃基材的粘接强度在60℃以上出现大幅度衰减。综上所述，A1和A2在60℃以上的强度保持率均较差，因此在使用丙烯酸酯胶粘剂作为玻璃结构粘接材料时，需要重点关注其在实际工作温度上限时的粘接强度保持率，以确保被粘接部位的可靠性和安全性。
2.3 80℃高温老化对A1和A2剪切强度的影响
从图3可以看出，A1在80℃下老化120d后，其剪切强度未发生衰减，而A2在80℃下老化30d后，其剪切强度便出现衰减，老化至120d后，其剪切强度保持率仅为46.7%，且试片为玻璃表面粘附破坏，该现象可能是由于热氧化作用[3]破坏了胶层与界面的相互作用。从A1和A2两类丙烯酸酯胶粘剂在热老化后剪切强度的变化趋势可以看出，丙烯酸酯胶粘剂的高温老化性能与产品自身配方有密切关系，因此在对丙烯酸酯胶粘剂选型时，需提前通过试验验证相关产品的耐高温老化性能。
2.4 湿热老化对A1和A2剪切强度的影响
从图4可以看出，A1和A2在湿热老化120d后，其剪切强度虽发生一定程度的衰减，但剪切强度保持率均在82%以上，表明2种丙烯酸酯胶粘剂具有良好的耐湿热老化性能。
2.5 清洁剂浸泡对A1和A2剪切强度的影响
从图5可以看出，A1和A2在45℃清洁剂环境老化120d后，其剪切强度均出现明显衰减，A1剪切强度保持率仅为10%，A2剪切强度保持率仅为26.6%，且均表现为玻璃表面粘附破坏。表明在清洁剂环境中，A1和A2的耐老化性能较差，不适合作为玻璃基材的结构粘接材料。
2.6 盐雾、酸雾老化对A1和A2剪切强度的影响
从图6可以看出，2种胶经酸雾30循环、盐雾30d后，其剪切强度均发生了明显衰减，其中盐雾环境下衰减的幅度更大，且均表现为玻璃表面粘附破坏，据相关文献介绍[4]，酸与盐等化学介质主要是通过基体表面微裂纹的吸附作用，扩散和渗透进入材料内部及粘接面，使基体溶胀，导致界面承受横向的拉应力，使界面结合力降低。上述结果表明在酸雾和盐雾环境中，2种胶的耐老化性能均较差，故在类似环境中，2种胶粘剂不适合作为玻璃基材的粘接材料。
2.7 冻融老化对A1和A2剪切强度的影响
从图7可以看出，经过50个冻融老化试验后，2种丙烯酸酯结构胶对玻璃的剪切强度与标准条件下相比均未发生明显衰减，且剪切试片的破坏形式均为内聚破坏，表明2种胶的耐冻融老化性能良好，且该试验结果与王文军[5]制备的丙烯酸酯锚固胶的冻融试验结果相一致，表明丙烯酸酯类胶粘剂具有良好的耐冻融性能。
3 结论
1）A1和A2在60℃时的剪切强度保持率已出现大幅衰减，故在使用该类型胶粘剂作为玻璃结构粘接材料时，需要重点关注其使用温度上限，以确保被粘接部位的可靠性和安全性。
2）在80℃高温老化条件下，A1和A2的老化性能出现了明显差异，表明丙烯酸酯胶粘剂的耐高温老化性能与产品自身有密切关系，故在选择丙烯酸酯胶粘剂时，需提前通过试验验证相关产品的耐高温老化性能。
3）除80℃高温老化试验外，2种胶粘剂A1和A2在所研究的老化条件下，其剪切强度的变化趋势基本一致，均随着老化时间的延长而逐渐减小，且均为玻璃表面粘附破坏，故2种胶对不锈钢基材的粘接性能优于对玻璃基材的粘接性能。
4）在酸雾、盐雾、清洁剂老化条件下，2种胶粘剂的剪切强度均发生了大幅度衰减，可见此类丙烯酸酯胶粘剂在粘接玻璃基材时的耐酸雾、盐雾、清洁剂老化性能较差，故在此类环境中，不建议使用该类胶粘剂作为玻璃结构的粘接材料。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 [S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]住房和城乡建设部建筑结构标准化技术委员会.JG/T475-2015《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》 [S].北京：中国标准出版社，2016.
[3]尹文华，陈燕，冯志新.胶粘剂老化机理及研究进展（上） [J].合成材料老化与应用，2014，43（02） ：69-73.
[4]陈跃良，刘旭.环境作用下的聚合物基复合材料性能研究进展及主要问题[J].飞机设计，2010，30（04） ：49-56.
[5]王文军，李红旭，张首文.KH-CP98丙烯酸酯锚固胶粘剂的研制[J].中国胶粘剂， 2005（03） ：22-24.
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