温度对单组分湿固化聚氨酯胶粘剂接头剪切强度的影响

王元伍，王 艳，刘金凤，刘 玉，刘民军（.中　车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 300）



温度对单组分湿固化聚氨酯胶粘剂接头剪切强度的影响

王元伍1，王 艳1，刘金凤1，刘 玉2，刘民军1
（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022）

摘要：利用准静态拉伸实验研究了温度对聚氨酯类胶粘剂接头剪切强度的影响关系。结果表明，聚氨酯胶粘剂剪切强度随温度升高而逐渐降低；二次多项式函数表达式能够表达这种变化规律；影响聚氨酯类胶粘剂剪切强度随温度变化规律的3个主要测点温度为-40 ℃、0 ℃和90 ℃。最后提出了修正系数的概念，以便指导聚氨酯类胶粘剂在工程结构的粘接设计。

关键字：聚氨酯胶粘剂；剪切强度；温度；准静态拉伸试验

近年来，随着“节能环保、低碳高效”设计理念的不断加深与重视，各种新型轻质材料如镁、铝合金材料[1，2]，复合材料[3]等在工程结构中的使用越来越广泛。传统的材料连接技术如焊接、铆接等受到了很大的限制。在此情况下，粘接技术由于其适用材料广泛、可实现异种材料连接、减轻结构质量、密封性好等优点，在工程结构的设计生产中占据越来越重要的地位[4～9]。

工程结构在实际工作中会面临着环境温度的变化，高温易造成粘接胶体软化，低温易导致粘接胶体变硬变脆，粘接强度会随胶体内部结构变化而改变。粘接强度在不同温度下的差异性促使在工程粘接结构的初始设计阶段要充分考虑温度因素的影响，以保证在各种使用温度环境下工程结构粘接接头的可靠性与安全性[10～12]。

聚氨酯类粘接剂由于具有优异的抗剪切强度和抗冲击特性，在许多工程结构如汽车、轨道客车、航天飞机中得到了广泛的应用。本文选取一款应用广泛的聚氨酯类粘接剂，并选取接头剪切强度作为研究对象，通过实验测试研究了温度对聚氨酯类粘接剂的影响规律，并对这种影响规律进行深入的数学统计处理，以便于指导聚氨酯类粘接剂在工程粘接结构中的实际应用。

1　实验部分

1.1 粘接试件材料

选取的聚氨酯类胶粘剂为sikaflex-265，该胶粘剂是一种单组分湿固化聚氨酯胶粘剂，其通过与大气中的湿气反应固化形成一种永久性的弹性物质，被广泛用于客车、卡车及列车车窗与车体结构连接。其Tg（玻璃转化温度）为-45 ℃，使用温度范围为-40～90 ℃。粘接试件的基体材料选用车体结构中经常使用的6005A型铝合金，如图1所示。

1.2 粘接试件工装夹具为了保证粘接试件垂向和侧向表面的平行度，本文设计一套工装夹具，如图2所示，利用侧向的2个旋转手柄保证试件侧向表面的平行度，通过垂向的旋转手柄保证试件垂向表面的平行度以及胶层厚度的均匀性。

图1　粘接试件示意图及其结构尺寸Fig.1 Shape and dimension of bonding specimen（单位：mm）

图2　粘接试件的工装夹具Fig.2 Work fixture of bonding specimens

1.3 粘接试件的制备

试件的粘接需要在稳定的环境[温度（23±3）℃，湿度（50%±5%）]下进行，具体操作过程为：①使用清洗剂对铝合金粘接表面进行清洁；②用80目的砂纸沿45°方向交叉打磨粘接表面；③再次使用清洗剂清洁打磨后的粘接表面；④使用活化剂擦拭粘接表面，对其进行活化处理；⑤在粘接表面按某一固定方向涂抹一层底漆；⑥在粘接表面涂胶，并利用工装夹具完成粘接；⑦将试件放置在水平摆件平台上固化28 d后，清除余胶，得到实验测试所需的粘接试件。

1.4 粘接试件实验测试

为了保证能准确测试出剪切强度随温度的变化规律，本文首先选取该胶粘剂的2个临界使用温度-40 ℃、90 ℃，然后在其使用温度范围内大致每隔20 ℃选取1个温度测点，最终所选温度测点为-40、-20、0、25、50、70、90 ℃。为了保证实验数据的可靠性，每种温度测点下粘接试件的样本数目为15。实验测试所需的高、低温环境由高低温湿热实验箱内部的电热丝加热及空调压缩机制冷实现，利用智能控制器可以将实验温度控制在预定温度值（±0.5）℃内。实验测试前，粘接试件需要放置在实验箱内30 min以上，以保证聚氨酯胶粘剂胶体内部能够达到预定实验温度。

实验测试时，粘接试件的2端通过万向节与拉伸实验机相连，如图3所示，以保证测试过程中的实验力可以沿着试件轴线中心通过，消除非轴向的作用力。拉伸实验机以5 mm/min的恒定速度拉伸试件直至破坏，记录粘接试件的破坏应力与破坏类型。

2　结果与讨论

2.1 剪切强度随温度变化规律

由于实验测试的主要内容为胶粘剂的破坏应力，因此只选择破坏类型为内聚破坏的粘接试件，其余破坏类型的实验数据将被剔除，然后将7个温度测点下的测试数据进行统计处理，得到如图4所示的胶粘剂破坏应力随温度变化的曲线。

图3　试件通过万向节与实验机连接Fig.3 Connection of specimen and testing machine via universal joint

由图4可知，随着温度的提高，胶粘剂的平均剪切应力逐渐下降，最大下降幅度约为71.4%，由此可见，温度对于胶粘剂剪切强度的影响非常大。温度越低时，胶粘剂的破坏应力下降越明显，随着温度的升高，其下降幅度逐渐趋于平缓。

图4　剪切应力随温度的变化曲线Fig.4 Variation curve of shear stress as function of temperature

计算胶粘剂在任意温度下的剪切强度对工程设计而言是非常重要的。为此，本文利用最小二乘法对图4所示的实验数据进行曲线拟合。

2.2 最小二乘法拟合曲线

首先假定x代表温度，y代表胶粘剂的剪切应力，则图4所示的7个实验数据点可以表示为。此外，假设拟合曲线的基本表达形式为：

其中，为拟合曲线的待定系数，可以是x的任意函数形式。

将实验数据点中的代入式（1），则：

假设，则有：

将式（3）写成矩阵形式为：R=B-Y，其中：

根据最小二乘法的原理，可得：

根据多元函数取极值的必要条件，可得：

其中，表示对求偏导数。若令：

则由式（3）可得：

又由式（6）可得：

这样就得到用矩阵表示的拟合曲线系数，即：

根据图4所示实验数据的大致分布规律，本文所选取的拟合曲线的基本函数表达式为：

倒数函数：

其所对应的实验数据点则转换为：

将图4所示的7个实验数据点进行转换处理，分别得到，

并分别代入公式（10）中，即可分别求得3条拟合曲线的系数值，如图5所示，同时可以计算出每条拟合曲线的残差平方和值与拟合优度值，如表1所示，用以比较3条拟合曲线的拟合精度。

由表1可知，3条拟合曲线的残差平方和值都比较小，拟合优度值也都非常接近于1，因此3种函数表达式均具有比较高的拟合精度。其中，多项式函数的拟合精度更优于另外2种函数表达式，而且也更为简便，因此，选择多项式函数表达式作为胶粘剂剪切强度随温度变化的理想表达式。

图5　3条拟合曲线及其函数表达式Fig.5 Three fitting curves and their function expressions

表1　3种函数表达式的残差平方和与拟合优度Tab.1 Residual sum of squares and fitting goodness of three function expressions

2.3 三点拟合

二次多项式系数值的确定最少仅需3个数据点即可。如果能够在图4所示的7个温度测点中找到3个温度测点，并且根据这3个温度测点下的实验数据值所拟合出的曲线能够比较准确的反映胶粘剂剪切强度随温度的变化规律，则可以减少实验温度测点的数目，提高工作效率。

从7个温度测点中任意选出3个有35种不同的组合形式，为了提高研究效率，本文编写了一段FORTRAN语言程序，用于计算35种温度测点组合下的拟合曲线表达式，并且统计7个温度测点的实验数据与每条拟合曲线上的对应数据的残差平方和，以便于比较各条曲线的拟合精度，如表2所示。

由表2可知，温度测点组合为[-40 0 90]时，拟合曲线的残差平方和相对最小，当温度测点组合分别为[-40 -20 90]、[-40 25 90]、[-40 50 90]和[-40 70 90]时，拟合曲线的残差平方和也比较小，由此可见，胶粘剂的2个临界工作温度测点对于拟合曲线的精度非常重要。理论上当第3个温度测点越靠近温度范围的中心点时，曲线拟合应该越精确，即[-40 25 90]的温度测点组合，但从图4可以发现，低温时粘接强度随温度的变化幅度更大一些，因此温度较低的测点数据则更容易决定拟合曲线的走势，这样就可以解释[-40 0 90]的测点组合比[-40 25 90]的拟合曲线更为精确这一现象。而当温度测点组合为[-40 -20 0]、[-20 0 25]、[25 50 70]、[25 50 90]、[0 25 50]和[-40 0 25]时，拟合曲线的残差平方和都比较大，由此可见，当温度测点较为集中，拟合曲线的拟合精度较差。因此，对于该类胶粘剂，应该尽量避免将温度测点集中在某一局部温度段范围内。图6所示为温度测点组合为[-40 0 90]时的拟合曲线及曲线表达式。

表2　35条拟合曲线的残差平方和值Tab.2 Residual sum of squares of 35 fitting curves

图6　温度测点组合为[-40 0 90]的拟合曲线及其表达式Fig.6 Fitting curve and its expression of temperature testing points combination [-40 0 90]

2.4 曲线修正

前文中所得到的拟合曲线仅能够反映胶粘剂剪切强度随温度的变化规律，并不能直接用于指导工程粘接结构的强度设计。由图6还可以发现，部分实验数据点仍分布于拟合曲线的下方，即部分粘接试件的测试破坏应力值要小于通过拟合曲线所得到的数据值。因此需要选取一个修正系数值对该拟合曲线进行修正，以保证在任意温度下胶粘剂的许用应力都不大于其破坏应力。

由于温度对粘接强度的影响研究方面的相关文献资料较少，该修正系数的取值并无资料与标准可查。因此本文初步拟定一个修正系数的计算方法，即将7个温度测点下的全部可用实验数据值与拟合曲线上的该温度测点所对应的数据值相比，取最小比值为修正系数值，如表3所示。

表3　7个温度测点下实验数据与拟合数据的最小比值Tab.3 Minimum ratio of experimental data and fitting data under seven temperature testing points

由表3可知，7个温度测点下相对最小比值中最小值为0.85，因此，选定该胶粘剂剪切强度随温度变化曲线的修正系数值为0.85，并对图6所示曲线进行修正，如图7所示，得到修正后的曲线可用于指导高速动车组粘接结构的工程设计。

3　结语

通过实验测试了一款聚氨酯类胶粘剂在7种不同温度下的剪切强度，得到了胶粘剂剪切强度随温度升高而逐渐降低的变化规律。利用最小二乘法对该变化规律进行曲线拟合，通过3种函数表达式的对比分析，选定二次多项式函数表达式作为胶粘剂剪切强度随温度变化的理想表达式。然后通过35种不同温度测点组合的对比分析，得到了影响胶粘剂剪切强度随温度变化规律的3个最主要的温度测点，即-40 ℃、0℃和90 ℃。最后，对拟合曲线进行了修正处理，使得修正后的曲线可用于指导聚氨酯类胶粘剂在工程结构中的粘接设计。

图7　修正后的拟合曲线及其表达式Fig.7 Corrected fitting curve and its expression

参考文献

[1]田军,刘志明,何如.动车铝合金车体焊接接头非线性疲劳累积损伤模型[J].铁道学报,2012,34(3):40-43.

[2]马思群,谷理想,袁永文,等.焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究[J].铁道学报,2012,36(2):42-48.

[3]杨永勤,孙加平,张丽荣,等.浅析复合材料在高速动车组上的应用[J].铁道车辆,2014,52(5):20-23.

[4]刘金凤,王瑾璐,王元伍,等.CRH3型动车组侧窗的粘接结构设计[J].中国胶粘剂,2013,22(4):5-7.

[5]谢静思,王新雷.动车组粘接技术培训探讨[J].工业技术与职业教育,2013,11(4):4-5.

[6]Baldan A.Adhesively-bonded joints and repairs in metallic alloys,polymers and composite materials:Adhesives,adhesion theories and surface pretreatment[J].Journal of Materials Science.2004,39(1):1-49.

[7]Hu P,Han X,Li W D,et al.Research on the static strength performance of adhesive single lap joints subjected to extreme temperature environment for vehicle industry[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2013,41:119-126.

[8]Wang Y,Zhang J,Yang X.Influence of adhesive thickness on local interface fracture and overall strength of metallic adhesive bonding structures[J].International Journal of Adhesion and Adhesives.2013,40:158-167.

[9]Xu W,Wei Y G.Assessments for impact of adhesive properties:modeling strength of metallic single lap joints[J].Journal of Adhesion Science and Technology,2013,27(1):9-29.

[10]Grant L D R,Adams R D,Silva LFMD. Effect of the temperature on the strength of adhesively bonded single lap and T joints for the vehicle industry[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2009,29(5):535-542.

[11]Banea M D,da Silva LFM,Campilho RDSG. Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap

Effect of temperature on shear strength of moisture curable polyurethane adhesive joints

WANG Yuan-wu1, WANG Yan1, LIU Jin-feng1, LIU Yu2, LIU Min-jun1
(1.CRRC TANGSHAN Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063035, China; 2.State Key Laboratory of Vehicle Simulation and Control, Jilin University, Changchun, Jilin 130022, China)

Abstract：The effect of temperature on shear strength of polyurethane adhesive joints was studied by quasi static tensile tests. The results showed that the shear strength of the polyurethane adhesive decreases with increasing temperature; the variation law could be expressed by quadratic polynomial expression. The three main temperature points of the variation law of shear strength as a function of temperature were -40℃, 0℃ and 90℃. Finally, a simple method for determining the correction coefficient was proposed for the engineering application of polyurethane adhesive shear strength as function of temperature in engineering bonding structures.

Key words：polyurethane adhesive; shear strength; temperature; quasi-static tensile test

作者简介：王元伍（1981-），男，硕士研究生。从事方向：轨道客车粘接结构设计及粘接工艺研究。E-mail：wangyuanwu@tangche.com。

收稿日期：2015-12-30

中图分类号：TQ433.4+32

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2016）04-0059-06