摘要
選用黏合劑用于高動態負荷環境時,要充分考慮到黏合劑的機械黏接性能,包括剪切、剝離和壓縮強度。對一個部件而言,隨著時間的推移,金屬、塑料和黏合劑部分可能會出現疲勞表現。疲勞可減弱這些部件的整體強度,并可能導致它們過早失效。對于黏合劑來說,這是由于受到磨損和動態移動所帶來的影響,剪切強度的變化幅度極大,從數千降至數百PSI,并最終導致失效。我們一般都會認為,剪切強度越高,部件的使用壽命就會越長,因此,在選擇用于黏接接合點的黏合劑時,我們往往會優先考慮剪切強度最高的那一款。不過,經過測試后,我們發現,剪切強度和部件的使用壽命并不存在直接的正相關關系。
在復合黏合劑(Loctite®HY4090GY™ 和HY4070™)和環氧黏合劑(Loctite®E-20HP™)的對比測試中,環氧黏合劑在剪切強度的表現明顯優于復合黏合劑,但后者的耐久極限遠高于前者。整體而言,甲基丙烯酸甲酯(MMA)黏合劑(Loctite® H8003™)在所有測試過的黏合劑中展示了最強的抗疲勞性能。
引言
就整個行業而言,黏合劑可分為結構和非結構黏合劑。一般情況下,結構黏合劑黏接性強、耐用,用于將兩部分黏接在一起;非結構黏合劑的黏接性通通常較弱,一般固化后裸露在外,比如用于灌封。分別給這兩者的應用舉個例子:用環氧來黏接兩塊鋼(結構性),而用有機硅或硅烷改性聚合物(SMP)來密封住浴缸和地板之間的縫隙,以防止水滲透進地下室(非結構性)。不過,需要注意的是,在一些應用中,非結構黏合劑也可用作結構黏合劑,如作為墊圈使用時,或者用于黏接擋風板時。
我們知道,雙組份環氧黏合劑對金屬具有極強的黏接能力,同時還具有很強的耐環境和耐化學性能;雙組份丙烯酸黏合劑對塑料黏接性很強,防振動和沖擊的能力也強。基于這兩類材料的優勢,漢高分別將它們與氰基丙烯酸酯結合,開發出通用型結構黏接劑,即復合黏合劑。開發這類復合黏合劑的目的是用于黏接幾類不同的基材,包括金屬和塑膠。該復合黏接劑在保留環氧的耐用性和丙烯酸的強韌性的同時,能夠提供足夠的初步固定速度(fixture speed)。本文的目的是為了評估環氧、丙烯酸和復合黏合劑的抗疲勞性能。
定義
SMP – 硅烷改性聚合物
GBMS – 噴砂低碳鋼
MMA – 甲基丙烯酸甲酯
耐久極限 - 材料在能夠抵抗無限數量的循環且不會破損時的最大應力(Merriam-Webster詞典)
分析
方法:
剪切強度根據漢高搭接剪切強度方法進行測量,參照標準為ASTM D1002-05(“拉伸載荷黏合劑的強度特性(金屬對金屬)”)。在剪切強度測試中,噴砂低碳鋼(GBMS)的接頭的重疊長度為0.5英寸,用玻璃珠隔開,間隙為0.011英寸。Loctite® H8003™自身含0.011英寸間隔物,因此沒有另外添加。隨后,膠料在標準實驗室條件下固化至少7天。該測試的加載速度為0.08英寸/分鐘。
在置信區間為95%的條件下,對這些剪切強度結果進行評估,以確定用于疲勞測試的載荷。95%置信區間的最低水平視作驗證載荷(1個循環),并用于確定描繪S-N曲線所需的載荷。S-N曲線反映了應力和循環的變化關系,用于確認組件的有限和無限使用壽命。所測得的驗證荷載百分比為20%、40%、60%和80%,少數情況除外。該測試的循環上限設為3600萬次,并以ASTM-D3166為參照標準。試樣被施加從20%、40%、60%和80%(σmax)目標驗證載荷至10%(σmin)目標驗證載荷的循環載荷(見圖1)。這些試樣黏接的方式和剪切強度試樣是完全一樣的,只是重疊長度為0.4英尺。
圖1:疲勞測試循環載荷(Bastidas-Artega)
材料:
圖表:
下圖(圖2)為所測產品的S-N曲線,這是線性刻度上最適合的對數曲線。觀察后可以得出,Loctite® H8003™具有最強抗疲勞性能,Loctite® E-05CL™的抗疲勞性能則最弱。
圖3為圖2 的精簡版本,放大顯示了300萬循環內的趨勢線交互關系。觀察后發現,在50萬循環內, Loctite® E-20HP™的抗疲勞性能落后于Loctite® HY4080GY™, HY4070™ 及HY4090GY™的抗疲勞性能。
圖2:漢高產品S-N曲線
圖3:漢高產品S-N曲線(300萬循環以下)
下表顯示了通過剪切強度測試確定的最終強度、耐久極限和在耐久極限下的 % 強度保持率。
耐久極限(2x10^7循環,R0.1) |
||||
黏合劑 |
最終強度(psi) |
耐久極限 (psi) |
耐久極限 (MPa) |
耐久極限/最終強度% |
Loctite® H8003™ |
3064 |
1475 |
10.2 |
48.1 |
Loctite® 4080GY™ |
2950 |
1187 |
8.18 |
40.2 |
Loctite® 1351™ |
2560 |
1147 |
7.91 |
44.8 |
Loctite® 4070™ |
2496 |
784 |
5.41 |
31.4 |
Loctite® 4090GY™ |
2276 |
750 |
5.17 |
33.0 |
Loctite® E-20HP™ |
3032 |
660 |
4.55 |
21.8 |
Loctite® E-05CL™ |
998 |
72 |
0.5 |
7.2 |
結論
總體來看,具有最高耐久極限的是Loctite® H8003™ (MMA)。該產品表現出和丙烯酸一致的性能:高剪切強度、抗沖擊強度以及優異的延伸性。表現最差的是Loctite® E-05CL™,該產品為5分鐘環氧材料,一般用于灌封。
相對來說,復合黏合劑缺乏初始黏接強度,但總體而言,它們的表現優于高性能環氧,而后者一般被認為是耐用性很高的材料。硬質聚氨酯Loctite®1351™展示了高抗疲勞性能,但當驗證載荷高于50%時,其全部強度在完成較少數量的循環后,便基本喪失了。
根據數據,我們可以看到:MMA保留了其48%的初始極限強度;復合黏合劑保留了35%至40%;聚氨酯保留了越45%;環氧則保留了7%。
總體來看,對于金屬與金屬間的黏接應用,首先考慮MMA,因其高抗沖擊強度、高剪切強度和長期的抗疲勞性能;由于復合黏合劑適用于眾多基材,以及其高剪切強度和良好的抗疲勞性能,建議用于金屬與塑料間的黏接;因為聚氨酯對于金屬和環氧基材料具有良好的黏接強度,以及其高耐剪切和抗疲勞性能,因此在黏接這類基材時,優先考慮聚氨酯;環氧抗疲勞性能弱,建議用于金屬與金屬間的黏接應用,因為這類應用相對靜態,變化較小。
參考文獻
· ASTM D1002-05(2005), Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal-to-Metal), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2005, www.astm.org
· ASTM D3166-99 (2012), Standard Test Method for Fatigue Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal/Metal), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org
· Bastidas-Arteaga, Emilio. ResearchGate, Sept. 2009, www.researchgate.net/figure/Fatigueloading-a-Simple-constant-amplitude-cyclic-stress-fluctuation-b_fig7_278645971
· Fatigue Limit, www.merriam-webster.com/dictionary/fatigue%20limit
致謝
Robert Chen在剪切測試和疲勞測試中協助黏接并測試固化后的黏合劑,在此表示感謝。
附錄
疲勞測試參數 |
|||||
黏合劑 |
驗證載荷(psi) |
80%(psi) |
60%(psi) |
40%(psi) |
20%(psi) |
4070 |
2170 |
1736 |
1302 |
868 |
434 |
4080 |
2412 |
1930 |
1447 |
965 |
482 |
4090 |
1942 |
1554 |
1165 |
777 |
388 |
E-20HP |
2532 |
2026 |
1519 |
1013 |
506 |
E-05CL |
454 |
363 |
272 |
182 |
91 |
H8003 |
2798 |
2238 |
1679 |
1119 |
560 |
1351 |
2560 |
2048 |
1536 |
1024 |
512 |
文章來源:https://www.ellsworth.com/insights/white-papers/fatigue-resistance-of-structural-adhesives/