快固型丙烯酸酯结构胶的制备及其疲劳性能研究

褚唯灼，魏培欣，宗 艳，郑云昊，吴惠惠，项尚林（.南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 003；.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 0009）



快固型丙烯酸酯结构胶的制备及其疲劳性能研究

褚唯灼1，魏培欣1，宗 艳1，郑云昊1，吴惠惠1，项尚林2
（1.南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

摘要：使用丙烯酸酯橡胶、MBS树脂、附着力促进剂、阻聚剂、偶联剂以及丙烯酸酯单体等制备出双组分快固型丙烯酸酯结构胶，测定了其疲劳性能，即在τm＝0.35τR的条件下，以振幅τa做正弦波形振动，设定频率为30 Hz，疲劳循环数100万次。利用阶梯法，计算疲劳极限和标准差，并得到了S-N曲线。结果表明，根据S-N曲线外推到1 000万次的结果和测试结果基本一致。

关键词：丙烯酸酯胶粘剂；疲劳性能；S-N曲线

快固型丙烯酸酯结构胶粘剂因具有室温固化快、强度高、韧性好、适应性强和工艺简便等特点，被广泛用于宇航、航空、汽车、机械、舰船、电子、电器、建筑、铁路车辆等行业的结构粘接、粘接修复、防渗堵漏等，受到国内外的广泛关注[1～5]。随着高速列车行业的快速发展，其相关产业也得到深化和提高，快固型丙烯酸酯结构胶也越来越多地应用到该行业。本文首先制备了一种快固型丙烯酸酯结构胶粘剂，并主要研究了快固型丙烯酸酯结构胶动态疲劳性能。

1　实验部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸，多官能丙烯酸酯，丙烯酸酯橡胶，三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯，偶联剂，过氧化二苯甲酰（BPO），N,N-二甲基对甲苯胺，附着力促进剂，MBS树脂，增塑剂，阻聚剂，石蜡，颜料等,均为市售工业品。

1.2 制备方法

1.2.1 A组分制备方法

（1）将丙烯酸酯橡胶粉碎成小块备用。

（2）将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、多官能丙烯酸酯和三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯按比例投入到反应釜中，通入冷却水降温，搅拌条件下投入丙烯酸酯橡胶，至丙烯酸酯橡胶完全溶解。

（3）将阻聚剂按比例投入到反应釜中，搅拌均匀后投入N,N-二甲基对甲苯胺、附着力促进剂和偶联剂，搅拌均匀。

（4）按比例将MBS树酯、石蜡投入到反应釜中，搅拌均匀至无颗粒为止。

1.2.2 B组分制备方法

将增塑剂、BPO、MBS树脂和颜料按比例投入到反应釜中，高速搅拌至原料完全溶解无固体颗粒为止。

1.2.3 样 件 制备

将待粘接铝剪切成试片并揭除保护膜，用丙酮擦拭表面除去尘土和油污。将A/B组分胶以10：1比例混合均匀后，均匀涂抹于2片铝片上，涂抹长度大于12.5 mm，搭接后用长尾夹进行固定，于23 ℃恒温固化24 h。

1.3 性能测定

1）剪切强度

按照GB/T 7124—2008[6]，采用电子万能拉力机测试铝片剪切强度。

2）振动疲劳性能

按照GBT 27595—2011[7]，采用ES-1-150疲劳振动测试仪测试振动疲劳性能。

2　结果与讨论

2.1 静态剪切强度检测结果

熟化时间对双组分快固型丙烯酸酯结构胶静态剪切强度的影响如表1所示。由表1可知，随着熟化时间的延长，结构胶的铝/铝剪切强度呈增大趋势，达到24 h后基本趋于稳定。

2.2 疲劳性能的表征

2.2.1 阶梯法疲劳性能的测试方法

表1　静态剪切强度Tab.1 Static shear strength

由表1还可知，静态强度取相对最大值，则双组分快固型丙烯酸酯结构胶静态剪切强度τR=14.982 MPa，根据平均应力公式：τm=0.35 τR，那么平均应力τm=0.35，τR=5.244 MPa。

设定初始振幅τa为0.9 MPa，如果第1个试样没有达到所设定的循环条件，在做下一个试样时就要把τa降低一个公差值，如果达到了所设定的循环条件，就要把下一个试样的τa提高一个公差值，以此类推。

阶梯法疲劳测试结果如表2所示，疲劳测试结果的分析如表3所示。

表2　阶梯法疲劳测试结果Tab.2 Fatigue test results obtained by step method

表3　疲劳测试结果的分析Tab.3 Analysis of fatigue test results

2.2.2 疲劳极限与疲劳极限偏差

计算结果：

计算结果表明疲劳极限偏差达到要求。

2.2.3 依 据ASTM E739：2010[8]得到的S-N曲线

双组分快固型丙烯酸酯结构胶依据ASTM E739：2010得到的S-N曲线如图1所示。

图1　依据ASTM E739：2010得到的S-N曲线Fig.1 S-N curve obtained by ASTM E739：2010

2.2.4 丙烯酸酯结构胶依据ISO 9664：1995[9]标准得到的S-N曲线

丙烯酸酯结构胶依据ISO 9664：1995得到的S-N曲线如图2所示。

2.2.5 丙 烯酸酯结构胶1 000万次疲劳性能

由图1得到logN=11.089-3.595τa，当N=1 000万次时，振幅τa=1.14 MPa。表4为丙烯酸酯结构胶1 000万次疲劳测试后剩余应力。实际测试中，取振幅τa=1.0 MPa进行测试，当丙烯酸酯结构胶疲劳次数达到1 000万次且试样没有被破坏时，试样静态剪切应力保留率为84.5%。由此表明，用拟合曲线外推到1 000 万次的结果和实测的结果基本上一致。说明该方法可用于测试双组分快固型丙烯酸酯结构胶的振动疲劳性能。

图2　依据ISO 9664：1995得到的S-N曲线Fig.2 S-N curve obtained by ISO 9664：1995

图3　拟合1 000万次疲劳曲线Fig.3 Fitting curve for 10 million times of fatigue test

表4　1000万次疲劳测试后剩余应力Tab.4 Residual stress after 10 million times of fatigue test

图3为各振幅测试数据经拟合所得曲线。胶的研制[J].粘接,2007,28(2):16-17.

[3]李易,夏浩,陈勇,等.电机磁钢粘接用低气味第2代丙烯酸酯结构胶的研制[J].中国胶粘剂,2015,24(6):44-48.

[4]朱本玮,林安,甘复兴.室温固化丙烯酸结构胶的研究[J].化学与黏合,2008,30(2):30-32.

[5]张文,周恒为,张丽,等.双主剂型改性丙烯酸酯结构胶挥发过程的质量变化研究[J].伊犁师范学院学报(自然科学版),2012(2):31-33.

[6]GB/T 7124—2008,胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料[S].

[7]GBT 27595—2011,胶粘剂结构胶粘剂拉伸剪切疲劳性能的试验方法[S].

[8]ASTM E739:2010 Standard practice for statistical analysis of linear or linearized stress-life and strain-life fatigue data[S].

[9]ISO 9664:1995Adhesives-Test methods for fatigue properties of structural adhesives in tensile shear[S].

（1）双组分快固型丙烯酸酯结构胶铝/铝的剪切强度随着熟化时间的延长呈增大趋势，达到24 h后趋于稳定。

（2）测出的丙烯酸酯结构胶S-N曲线、极限疲劳，通过拟合曲线上1 000万次时的振幅来进行试验，验证了其一致性。

（3）为了高速列车粘接结构设计和使用安全性，需要对丙烯酸酯结构胶进行疲劳测试，高速列车相关认证和设计部门应将结构胶疲劳性能纳入考虑范围中。

3　结语

参考文献

[1]刘苏宇,韩胜利.不同单体对SGA耐冷热冲击性能的影响[J].粘接,2013,34(4):46-49.

[2]桂武标,马燕,韩胜利,等.低臭环保丙烯酸酯结构

Preparation and fatigue property of fast curing acrylate structural adhesive

CHU Wei-zhuo1, WEI Pei-xin1, ZONG Yan1, ZHENG Yun-hao1, WU Hui-hui1, XIANG Shang-lin2
(1.CSR Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu 210031, China; 2 College of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China)

Abstract：The two-component fast curing acrylate structural adhesive was prepared with polyacrylate rubber, MBS resin, adhesion promoter, inhibitor, coupling agent and acrylic ester monomer etc, and the fatigue performance was also determined, which was measured under the follow conditions: τm=0.35 τR, sinusoidal wave vibration at τaamplitude, 30 Hz of frequency, 1 million times of fatigue cycle number. The fatigue limit and the standard deviation were calculated by the step method and the SN curve was obtained.The results showed that the result obtained according to the S-N curve extrapolation to 10 millions and the result of the test were basically identical.

Key words：acrylate structural adhesive; fatigue property; S-N curve

作者简介：褚唯灼（1985-），男，助理工程师，从事城轨车辆的机械装配及工艺定额的管理工作。E-mail：cwz-1985@163.com。通讯联系人：项尚林（1972-），男，副教授，主要从事高分子材料的合成与改性方面的研究。E-mail：xiangsl448@126.com。

收稿日期：2015-12-17