粘接技术

    粘接技术 : 140.1 粘接接头的设计
粘接除了选用性能高的胶粘剂外,还应选择好的粘接结构。胶的性 能再好,也并不能保证粘接的绝对成功。例如粘接车刀或钻头,若是采 用对接形式,尽管选用剪切强度高达40～50 MPa的胶粘剂,其结果也必 定会失败;如果改用嵌接或套接,就是换用剪切强度为20～30 MPa的胶 粘剂,粘接效果也会十分成功。又如,若铜管与聚氯乙烯管套接,如果铜 管在外面,当温度变化时,由于聚氯乙烯管收缩率大会发生开裂;反过 来,若将聚氯乙烯管放在外面,温度变化时就不会再开裂。而采用无机 胶粘剂粘接刀具时,往往采用套接和嵌接,以确保它能承受足够的强度。 还有,玻璃钢板的粘接不能采取搭接形式,因为玻璃钢层间的剪切和剥 离强度都很低,横向承载能力小,故只能采取斜接。
这些实例足以说明,接头形式的重要性。
(1)粘接接头的破坏类型
粘接接头就是通过胶粘剂将被粘物连接成为一个整体的过渡受 力或不受力的粘接部位。在某些方面,粘接接头主要受到4种力的作 用,即剪切力、拉伸力、剥离力和不均匀扯离力(见图1)。

图1 粘接接头受力的类型

粘接接头受到外力与内力的作用,当超过本身的强度时,便会发 生破坏。粘接接头的破坏形式见图2。

图2 粘接接头的破坏形式

1)内聚破坏:指胶粘剂(胶层)或被粘物本身发生破坏。这时,粘 接强度取决于胶粘剂和被粘物的力学性能。
2)界面破坏:也称黏附破坏或胶粘破坏,指胶层与被粘物在界面 处整个脱开。
3)混合破坏:指内聚破坏和界面破坏兼而有之破坏形式。
研究表明,除了无法粘接的材料有完全的界面破坏之外,一般不 存在真正的界面破坏,因为在宏观上看到的界面破坏,在显微镜下都 能观察到胶粘剂的残迹。
当发生界面破坏时,就说明粘接强度很低。粘接效果最不好的就 是发生界面破坏,应该尽量设法避免。
内聚破坏固然很好,但真正的胶层内聚破坏也是不多的,因此,以 内聚破坏为主的混合破坏,应该是比较实际和比较理想的。
(2)粘接接头设计的原则
由接头的力学特性可知,其抗拉、抗剪切、抗压的强度比较高,而 抗剥离、抗弯、抗冲击的强度却比较低。因此,从力学性能角度考虑, 接头形式的设计与选择应遵循下面基本原则:
1)尽可能承受或大部分承受剪切应力。抗拉强度虽然很重要,但 接头纯粹受到拉伸作用的情况实属罕见,而提高剪切强度则相对很容 易实现,例如,平板搭接和斜接主要承受的就是剪切力。
2)尽可能避免剥离和扯离力的作用。当确实难以避免时、可采取 适当的加固措施,如:端部包边,端部加宽,端部加固,端部加铆、加螺 (见图3)。

图3 防剥措施

3)尽可能增大粘接面积,以提高接头承载能力,如V形斜接和台 阶对接。
4)尽可能防止层压材料的层间剥离,如玻璃钢板、纤维板、石棉板 等宜用斜接。
5)尽可能采用粘接与机械结构相辅的混合接头。
(3)粘接接头的形式
粘接接头的基本形式可以归为4种类型,即对接、角接、形接、平 接,(见图4所示)。实际上,不管所采取的接头类型有多么复杂,都是 这4种类型相互组合的结果。

图4 接头的类型

1)对接。纯粹的对接就是将两个被粘接面对合在一起,由于这种 粘接的粘接面积小,承受的是不均匀扯离力的作用,所以容易引起应 力集中,强度很低,效果不好,最好不予采用。然而,在很多修补情况 下,由于不能改变原来物体的形状,则必须采用对接。若是受力不大, 可直接对接;如果受力大,物体可采取改型的对接,如台阶对接、Ⅴ型 对接、补对接等。图5为对接的接头形式。

图5 对接接头

2)斜接。指将接头制成一定角度的斜面 后再对接的粘接形式(见图6),其承受剪切 力分布均匀,粘接面积大,承载能力高,但制 备较为困难,实际上应用并不广。

图6 斜接接头

应当注意,斜接接头的斜接角θ越小越好,最好不大于45°。当 θ=90°时,便成了对接。

图7 搭接接头

3)搭接。搭接是薄壁板的平面粘 接,承受的主要是剪切应力,且应力分 布也比较均匀。这种接头宜宽不宜 长,胶层宜薄不宜厚。端部倒角或挖 槽可减少应力集中,端部加铆或加螺 钉可防止剥离,斜面搭接亦能获得良 好效果。搭接是应用最多的一种接头 形式,见图7所示。
4)套接。套接是将被粘物一端插入另一被粘物孔内,或是加外套 管的对接。该粘接形式粘接面积大,受力情况好,承载能力强,粘接强 度高,适用于圆管和圆棒的粘接,但胶层不宜控制,中心位置不好对 正,见图8所示。

图8 套接接头

5)平接。平接就是将两个被粘物平面结合在一起(见图9)该粘接 形式粘接面积大,粘接强度高,适宜柔性材料或其与钢性材料的粘接。
6)嵌接。嵌接亦称槽接、镶接,可以看成是搭接的和平接的组合 形式,受力情况好,粘接面积大,能获得很高的粘接强度。嵌接的接头 形式见图10所示。

图9 平面粘接

图10 嵌接接头

7)角接。图11为角接的形式。简单的角接形式受到不均匀扯离 力作用,应力集中严重,粘接强度很低,实际上不能采用。若必须采用 该粘接形式,需采取一些组合的补救措施。

图11 角接接头

8)T形接。单纯的T形接头,受力情况不好,粘接强度极低,不应 采用,若改变一下形式,尚可得到较好的效果。图12为T形接头。

图12 T形接头

140.2 粘接工艺
粘接工艺虽然比较简单,却是相当重要。有时不同的人,从事同 样粘接应用的操作,有的成功,有的却可能失败,其根本原因就在于具 体工艺上的差别。因此,在某种程度上可以说,粘接工艺合理与否,往 往是粘接成败的关键。
粘接工艺的内容和程序可用如下的方框图予以表示。

(1)表面处理
被粘物的表面状况如何,直接关系到粘接强度的高低和耐久性的 好坏,所以说,表面处理是粘接工艺中不可忽视的重要环节。获得牢 固粘接效果的首要条件是胶粘剂对被粘物的完全浸润,这就要求被粘 物要有最佳的表面状态,使之能与胶粘剂形成的粘接力超过胶层的内 聚力。为此,就要对被粘物的表面进行适当的处理。
1)一些难粘的塑料,如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等,经过表面 处理,就可变为用一般胶粘剂直接能粘的塑料。
2)表面适当的粗糙,可以增大粘接面积,提高粘接强度。
总而言之,表面处理就是要改变被粘物表面状态,获得清洁、干 燥、粗糙、活性的表面,以实现牢固的粘接。
3)表面处理的方法。对于不同的被粘物和不同的用途,表面处理 的具体方法并不是千篇一律的,总的来说可分为一般方法、化学方法 和物理方法。
A.一般方法:
a.表面清理:以水洗或用棉纱、干布初步清除污物、灰尘和厚油 等。对于小型被粘物也可用超声波洗涤。
b.脱脂去油:以丙酮、汽油、甲苯、三氯乙烯、甲乙酮(丁酮)等有机 溶剂擦拭、浸渍、喷洗,或用溶剂蒸气脱脂,都可除去矿物油、植物油和 动物油等。大件可采用喷砂处理。而采用碱液处理(亦称化学除油), 只对去除动、植物油有效。
常用脱脂溶剂的性质见表1。

表1 常用脱脂溶剂的性质

名称	分子式	密度/(g/cm3)	沸点/℃	闪点/℃
甲醇 乙醇 异丙醇 正丁醇 丙酮 丁酮 醋酸乙酯 甲苯 三氯乙烯 二氯甲烷 汽油	CH3OH CH3CH2OH CH3CH(OH)CH3 CH3CH2CH2CH2OH CH3COCH3 CH3COCH2CH3 CH3CCOCC2H5 C6H5CH3 ClCH CCL2 CH3Cl2 C5H12～C9H20	0.7915 0.7893 0.786 0.8098 0.7906 0.8016 0.9005 0.8668 1.4649 1.3295 0.68～0.73	64.7 78.4 823. 117.7 56.2 79.6 77.2 110.8 87.0 40.0 80～120	6.5 14.0 12.0 35 17 -5.5 -2 7 不燃 不燃 -25

c.除锈、粗化:用锉削、打磨、粗车、喷砂等方法除去锈蚀及金属氧 化物,同时亦使物体表面粗糙化,(不要粗糙过度)。其中喷砂方法效 果最好,不仅可除去锈蚀,还能粗化表面,适当地增加表面能,因而使 粘接强度大为提高。
d.清洁、干燥:经过除锈、粗化的机械处理后,还要用毛刷、干布或 压缩空气清除被粘物表面的砂粒或残屑,并再次用溶剂擦拭,以继续 除去油污,经干燥后待用。
B.化学方法:化学方法是通过氧化、接枝、交联、置换等作用,使聚 合物表面引入活性基团。对于其他材料则有除油、去污、粗化、活化等 功能。常用化学除油剂的配方见表2。

表2 化学除油剂的配方

被粘物 用量/kg 原料		钢铁				铝、镁及其合金
		编 号
		1		2		3		4
硅酸钠(Na2SiO3)		10		5		30		-
重铬酸钠(Na2Cr2O7)		30		-		-		-
磷酸钠(Na3PO4)		30		-		-		-
氢氧化钠(Na2OH)		30		10		-		-
碳酸钠(Na2CO3)		-		50		30		25
肥皂(NaC17H36O2)		-		-		-		10
水(H2O)		1000		1000		1000		1000
处理方法	温度/℃		80～100		80～100		80～100		80～100
	时间/min		10～15		20～30		10～20		30
	后处理		水洗后干燥

a.酸蚀法:将经一般方法处理的被粘物,放入一定种类和一定浓 度的酸溶液中,浸泡一定时间后漂洗、干燥。
b.阳极化:磷酸阳极化、硫酸阳极化、铬酸阳极化。
c.预涂偶联剂:可改变表面性质,提高粘接强度和耐久性。
为了防止处理后的金属再生锈和表面再污染,还可进行防护 处理。
d.保护处理:将已处理好的被粘物表面涂上底胶(或底涂),以起 防水、避污、填孔、封闭的作用。
C.物理方法:物理方法主要是用于非极性的高分子材料。
a.放电处理:在真空或惰性气体环境中,进行高压气体放电,使材 料表面氧化或交联,产生极性表面。根据使用的装置和放电条件,放 电处理有电晕、接触、电弧、辉光等离子等方法,很适用于聚烯烃材料。
b.火焰处理:就是以可燃气体燃烧的火焰在被粘物表面上进行瞬 时高温燃烧,使其表面发生氧化反应。例如,用氧-乙炔火焰(气焊 枪)处理聚乙(丙)烯表面后,就可以用一般的胶粘剂粘接。
c.辐射处理:利用高能射线,如X射线、γ射线等,促使聚合物表 面氧化、接枝、交联等。
不同的表面处理方法,对粘接强度的影响亦不相同,这由表3中 明显可见。

表3 表面处理方法对剪切强度的影响
胶粘剂:环氧胶 单位:MPa

被粘物	处理方法
	溶剂擦拭	蒸汽脱脂	喷砂	酸蚀
铝	0.3	5	12.3	19.4
钢	20.3	20.4	29.6	31.6
铜	-	12.5	-	16.3

4)表面处理的检验。表面处理的效果如何,最简便的检验方法是 水膜法。即在处理后的被粘物表面上洒上水,若是清洁的表面,水便 能漫延铺展成一连续的水膜;相反,如果出现水滴滚动或水膜破裂,便 表明被粘物表面脏污不洁,胶粘剂不能良好浸润。
5)表面处理后的有效期。对于表面处理后未涂底胶的被粘物最 好马上进行粘接,不要放置过久。表面处理后的有效期对于不同的金 属、不同的处理方法亦不相同(详见表4)。

表4 金属表面处理的有效期

材料	处理方法	有效期
铝 铝 铝 钢 不锈钢 黄铜	湿法喷砂 硫酸-重铬酸盐处理 阳极化处理 喷砂 硫酸腐蚀 湿法喷砂	3 d 6 d 30 d 4 h 30 d 8 h

(2)配胶
胶粘剂可有多种不同的状态,其中胶棒、胶条、胶膜、胶带等热熔 胶和压敏胶可直接拿来使用。尽管单液型液体胶也无需配制,但如含 有较多易沉淀的填料,使用前亦应搅拌均匀,如氯丁-酚醛胶。
对于双组分或多组分的液态胶,使用前应按规定的比例,现用现 配,根据适用期长短确定配胶量,用多少配多少,以免造成浪费。
按已知的配方自行配制的胶粘剂,要做到计算正确、衡器正常、称 量准确和搅拌均匀。
配胶所用的器具必须清洁、干燥,未用的各组分切忌掺混。
(3)涂胶
涂胶就是将胶粘剂以适当的方式涂布于被粘物表面的操作。要 达到最理想的粘接强度,必须使胶粘剂很好地浸润被粘物表面,否则 孔隙便会形成应力集中从而降低粘接强度,这就要求正确涂胶。
胶粘剂按其形态不同,可有不同的涂布方法。对于热熔胶,可用 热熔胶枪;对于粉状胶,可进行喷撒;对于胶膜,应在溶剂未完全挥发 之前贴上滚压;对于液体或糊状、膏状胶粘剂,可刷胶、喷胶、注胶、浸 胶、漏胶、刮胶、滚胶等,其中刷胶使用最为普遍。
用刷子或毛笔蘸取胶液涂布到被粘物表面上,最好顺着一个方 向,不要往复,且速度要慢,以防带进气泡;涂布应尽量均匀,中间稍多 点,边缘可少些,平均厚度要适宜(0.05～0.2 mm)。一般来说,在保证 不缺胶的情况下,胶层应尽可能薄些。
涂胶量和涂胶遍数因胶粘剂和被粘物不同而异,是影响粘接强度 很重要的因素。一般剪切强度随胶层厚度减少而提高,剥离强度则相 反。涂胶遍数与胶粘剂的性质和胶层厚度有关,例如,无溶剂的环氧 胶只涂1遍即可,而多数的溶液胶粘剂都要涂胶1～3遍(头遍胶尽量 涂薄些,待溶剂基本挥发尽之后,再涂下遍胶)。
对于多孔材料的粘接,要适当地增加涂胶量和涂胶遍数。如果能 够预热被粘物,采用热涂胶,则效果会更好。因为热涂胶时黏度降低, 有利浸润;流动性增加,易于渗入被粘物表面的缝隙、微孔之中,能够 形成良好的界面接触,同时也为形成化学键创造条件。若胶粘剂黏度 过大,则不仅不利于操作,而且不易浸润、渗透,难以保证粘接性能,故 必须以适当的溶剂稀释后再进行涂胶。
原则上,每个被粘接面都应分别均匀涂胶,以保证充分浸润。但对于 大面积和强度要求不高的粘接,亦可采用点涂法和线涂,或点、线并用的方 法,这样既省胶又省工。点涂法与线涂法的涂胶方法详见图13所示。

图13 点涂法与线涂法

(4)晾置
无溶剂液态胶粘剂在涂胶之后,虽说可立即进行胶合,但最好还 是在室温下稍加晾置,这样有利于排除空气,流匀胶层,初步反应,增 加粘性。
有的胶粘剂晾置是不可缺少的,如502胶晾置片刻,可吸收空气 中微量水分,引发聚合,实现固化。
含溶剂的胶粘剂必须晾置一定时间,以挥发溶剂,否则固化后的 胶层结构松散,会有气孔,使粘接强度大为下降。
不同类型的胶粘剂,不同种类的溶剂,不同的溶剂含量,其晾置的 温度和时间也是不同的。例如,橡胶型胶粘剂只在室温下晾置即可, 而酚醛-缩醛胶室温晾置后还要在60～70℃下烘干。聚氨酯胶粘剂 只需晾置10～20 min,可是酚醛-丁腈胶却要晾置20～30 min。晾置 时间不宜过长也不宜过短,长则表面结膜,失去黏性;短则残留溶剂, 降低强度。
晾置的环境应湿度低,无尘埃污染,空气流通。尤其是湿度一般 越低越好,不然溶剂挥发之后会使被粘物表面温度降低,这时空气中 的水气便会凝聚于粘接表面,对粘接强度产生严重影响。要切忌晾置 过度,尤其是最后一次晾置,否则黏性大失,无法胶合。
(5)合拢
合拢又称装配、胶合等,即是将涂胶后经过适当晾置的被粘物表 面紧密贴合在一起,对正位置。对于液体无溶剂胶粘剂,在合拢后最 好来回错动几次,以增加接触,排除空气,调匀胶层。如发现缺胶或有 缝,应及时补胶填满,以合拢之后压出微小胶圈为好。
对于橡胶型胶粘剂和无机胶,在合拢时应一次对准位置,不可错 动。可采用圆棒滚压或木槌敲打的方式,压平并排除空气,使粘接面 紧密接触。
(6)清理
粘接过程难免会有些残胶,不仅会影响外观,而且也会影响装配 尺寸。为了保证外观和装配,并消除固化后的清理麻烦,在合拢后、固 化前应将残胶彻底清除掉。
(7)初固化
初固化也称凝胶,是指使胶粘剂于室温下放置一定时间,使其固 化反应初步进行,增大黏度以致凝胶的过程。这对高温固化的胶粘剂 是十分重要的。如果高温固化的胶粘剂在粘接合拢后马上便进行加 热固化,由于胶液黏度骤降,发生流淌,就会造成缺胶,也可能使粘接 位置错动。
(8)固化
固化即是指胶粘剂通过溶剂挥发、熔体冷却、乳液凝聚等物理作 用,或缩聚、加聚、交联、接枝等化学反应,使其变为固体。固化是获得 粘接性能的最后一关,对粘接强度影响极大。只有完全固化,强度才 会最大。
在固化过程中,温度、压力、时间是固化工艺的三个重要参数,每 一个参数的变化都会对粘接性能产生直接影响。
不同的胶粘剂,固化条件不同。有的可室温冷固化,有的要加温 热固化;有的需要加压固化,有的只需接触便可固化;有的瞬时就能固 化,有的需要很长时间才能固化;有的需热压结合,尚需一定时间才能 固化。
温度是最重要的一个固化参数。每一种胶粘剂都有一特定的固 化温度,而且温度和时间又有依赖关系。固化温度高,需要时间短;反 之则固化时间长。但当低于规定固化温度时,即使固化时间再长,固 化过程也无法完成;当高于固化温度太多时,虽然固化时间缩短,却因 固化速度太快,亦会造成胶层硬脆,性能变坏。
一般来说,对于室温固化的胶粘剂,如条件允许可以采用加热固 化,这样不仅可使固化时间缩短,而且也可使粘接强度得到提高,尤其 是耐高温和耐老化性能会变得更好。加热的方式可以采用电烘箱、热 风、干燥窑、红外线、远红外线、高频电等加热。
加热固化的胶粘剂最好采取阶梯分段升温的方式加热。固化结 束后要缓慢降温冷却,以尽量减小因温度变化所产生的内应力,防止 变形。这对薄型或线膨胀系数相差较大的被粘物粘接尤为必要。
固化时施加一定的压力,应该说对所有的胶粘剂都有益处。加压 有利于胶粘剂的扩散渗透和与被粘物的紧密接触;有助于排除气体、 水分等低分子物,防止产生空洞和气孔;有益于胶层的均匀和被粘物 的位置固定。
压力的大小与胶粘剂的种类有关。例如,环氧胶一般不含溶剂, 又不放出低分子物,只要接触压力即可粘牢;而酚醛树脂及用其改性 的胶粘剂,在固化过程中有低分子水产生,固化时至少需加0.3MPa的 压力。对于氯丁胶粘剂也可不加压,而使用胶模需加0.5MPa的压力。
加压可用专门的工具或设备。加压方式有锤压、滚压、机械压、液 压、气袋加压、真空加压等。为防止与被粘物粘连,可涂油脂或脱模剂 隔离。
加压大小须适当,并应均匀。压力小则不起作用;而压力太大则 会挤出较多的胶粘剂,造成缺胶,降低粘接强度。
加压最好是逐步增压。开始时因胶粘剂黏度较低,压力可小一 些,然后再逐渐升到规定压力。
无论是靠化学反应还是靠物理作用完成固化,都需要一定的时 间。不过由于胶粘剂类型的不同,所需的固化时间差异很大。同时升 高温度和增加压力,都会使固化时间缩短。为了固化完全并得到最大 的粘接强度,必须保证有足够的固化时间。
应当记住,每一种胶粘剂都有它的最佳固化条件,必须按其规定 进行固化,这样方能获得预期的粘接效果。
(9)后固化
后固化又称热处理,是指将固化后的粘接件再在一定的温度下保 持一段时间,以起到补充固化、消除内应力、提高粘接强度的目的。对 性能要求较高的粘接件,一定要进行后固化。
(10)检查
对于固化后的粘接件,应该进行一次全面检查。首先是看胶粘剂 是否已完全固化;其次是轻敲粘合部位,看其能否脱开;然后观察有无 裂缝、裂纹、气孔、缺胶等;再就是注意位置有无错动。还可进行密封 性检查。
对于大面积和大型制件的粘接,应用X射线或超声波进行无损探 伤。对于大量粘接件,应抽取部分粘接件进行破坏性试验,测定强度 数据,以检查粘接是否牢固可靠。
(11)加工
对于有的粘接件,还可根据具体需要进行机械加工,如车削或打磨等。

综上所述,要获得牢固的粘接,胶粘剂是基本因素,接头是重要因 素,工艺是关键因素。三者关系密切,必须相互兼顾。
140.3 粘接强度的测定方法
要想评定一种胶粘剂或粘接效果的好坏,强度数据是一项重要的 指标。要想判断一个粘接接头使用性能是否可靠,强度测定是重要的 依据。因此,了解粘接强度的测定方法是很必要的。
由于粘接强度受多种因素影响,为了对强度数据进行比较起见, 必须按照国家规定的标准进行。
对于金属的粘接强度,测定的主要项目有:剪切强度、抗拉强度、不均 匀扯离强度、冲击强度等。还可以根据设计和使用要求,在不同环境(温 度、湿度、温度交变、化学介质等)下进行各种粘接强度的测试。
对于非金属材料(如塑料、橡胶、木材等),由于其粘接强度往往高 于非金属材料本身的强度,因此一般仅测试抗拉强度、剪切强度和剥 离强度等。对于柔性材料的粘接多测剥离强度。
下面主要介绍金属粘接的抗拉强度、剪切强度、不均匀扯离强度、冲 击强度的测定方法以及非金属粘接的剥离强度、剪切强度的测定方法。
(1)剪切强度的测定方法
剪切强度表示粘接接头受剪切应力作用时,单位面积上所能承受的 最大破坏载荷。一般以拉伸剪切作为剪切强度的标准方法。金属粘接的 剪切试样采用单搭接的形式,其尺寸如图14所示。常用的铝试样为LY- 12CZ铝合金,钢试件为45^#钢,其他材料品种视具体情况而定。
对于定型产品已配套的胶粘剂,测定时可用B型试样。
根据不同的要求,可进行室温和高低温测定。
金属试样经表面处理后,涂胶,合拢,其宽度方向的错位不大于 0.3 mm,在规定的条件下进行固化。
剪切强度测试可在1～5t电子拉力试验机上进行。试样放在试验 机的上、下夹头中间,上夹头自动锁紧(或固定),调整试样在上、下夹 头间的距离,使粘接部位至上、下夹头的距离相等,并使试样纵轴与拉 力方向中心线重合。然后,以(10±2) mm/min的恒定速度施加载荷, 直到接头破坏为止,由记录纸上读出破坏载荷。
按下式计算剪切强度:

式中:τ——剪切强度,Pa;

A型

B型

图14 剪切强度测定的试样

P——破坏载荷,N;
A——试样粘接面积,cm²。
其中A应根据每一试样破坏后实际测量的胶层长度a和胶层宽 度b数值计算,即A=a×b(精确到0.01cm²)。
每一组粘接试样不应少于5个,并按允许偏差要求取舍。代表同一试 验的试样不应少于原试验数量的60%。试验结果取算术平均值,有效数 字保留3位。每一试样测出的数值,对平均值的偏差不得超过±5%。
测定时应记录实验时的温度,并观察与记录试样破坏的特征。
如果在室温下测定,则要求室温为(23±5)℃,相对湿度为55%～75%。
如果要测定试样在高温或低温下的剪切强度,则需将试样置于加热 或冷却装置中,并在所要求的温度下保持30～45 min,然后再进行测定。
高低温测定,通常在如下温度进行:-60℃,60℃,100℃,150℃, 200℃,250℃等。
测定低温下的剪切强度时,可用液氮或干冰-乙醇混合物降温,试 样在-60℃下保持30 min后进行测试。
测定高温下的剪切强度时,可将试样放入能自控的电加热箱中, 在规定温度下保持30 min后测试。
(2)抗拉强度的测定方法
抗拉强度亦称拉伸强度、抗张强度、正拉强度、均匀扯离强度,是 指单位粘接面积上所能承受垂直于粘接面积的最大载荷。测定金属 粘接的抗拉强度有圆柱形端面对接试样和十字形试样两种测定方法, 前种方法粘接面上应力分布均匀,能够测定真实的粘接力和内聚强 度,是测定抗拉强度的主要方法;而用十字形试样测定的数据偏低。
1)圆柱形试样的测定。此法适用于金属棒材粘接的抗拉强度测 定,其试样的形状和尺寸见图15。

图15 圆柱形抗拉强度的测定试样

试样两圆柱体的直径一致,误差不超过0.1 mm。粘接面的粗糙度 为Ra6.3,粘接后两圆柱体的错位不超过0.2 mm。
测试前从胶层两旁测量圆柱体的直径(精度为0.1 mm)。
测试时采用专用夹具将试样置于电子拉力试验机上,拉力中心线 应与试样的轴线一致,加载速度为10～20 mm/min,拉断时记录最大的 破坏载荷。
按下式计算抗拉强度:

式中:σ——抗拉强度,Pa;
P——破坏载荷,N;
A——试样的粘接面积,cm²。A=π/4d²(精确到0.01 cm²),d为 试样粘接部位的直径,cm。
每组粘接试样不少于5个,测试结果按允许偏差±15%取算术平 均值,保留3位有效数字。
如果要进行高低温测定时,须将试样和夹具一起放入加温或冷却 装置内,在需要的温度下保持45～60 min再进行测试。
2)十字形试样的测定。该法用于金属板材及条带粘接的抗拉强 度测定,试样的形状和尺寸见图16。

图16 十字形抗拉强度测定试样

测定时首先用游标卡尺从试样两边测定胶层的长度a和宽度b, 然后放在合适夹具内,在试验机上进行拉伸,加载速度为10 mm/min, 直至胶层破坏为止,记录破坏载荷。
按下式计算抗拉强度:

σ=P/A

式中:σ——抗拉强度,Pa;
P——破坏载荷,N;
A——试样的粘接面积(cm²),A=πd²/4(精确到0.01cm²),d为试 样部位的直径(cm)。
每组粘接试样不少于5个,测试结果按允许偏差±15%取算术平 均值,保留3位有效数字。
除上之外,测定抗拉强度还有圆形试样,如图17所示。

图17 测定抗拉强度的圆形试样

(3)不均匀扯离强度的测定方法
不均匀扯离强度表示粘接头胶层受到不均匀扯离力时,单位长度 上的最大破坏载荷。不均匀扯离试验用于测定金属薄片与金属构件 之间的扯离力。其试样形状和尺寸见图18。

图18 不均匀扯离强度测定试样

测定前先测量粘接部位的宽度(精确至0.1 cm),然后将试样固定 在专用夹具上,使两夹头间距离为200 mm。
调整粘接面的中心线,使其与夹具的横梁中心线重合。接着以 10 mm/min的恒定速度加载,直至胶层脱粘破坏为止,记录破坏载荷。
按下式计算不均匀扯离强度:

式中:σ——不均匀扯离强度,N/cm;
P——破坏载荷,N;
B——试样宽度,cm。
每组试样不少于3个,测试结果取算术平均值,保留3位有效数字。
(4)冲击强度的测定方法
冲击强度又叫抗冲强度,表示以相当高的速度加载于粘接接头, 使其破坏时所需的最小面积能量。它主要用于衡量胶粘剂的韧性。 按照接头形式和受力方式不同,冲击强度又分为弯曲冲击强度、压缩 剪切冲击强度、拉伸剪切冲击强度、扭转剪切强度和T形剥离冲击强 度等。下面只介绍剪切冲击强度和弯曲冲击强度的测定方法。
1)剪切冲击强度的测定。剪切冲击强度是指粘接试样的胶层在 冲击力的作用下,受到剪切破坏时所消耗的功。试样由上、下两金属 粘接而成,见图19。

图19 剪切冲击强度测定的试样

将粘接好的样式用专用夹具固定在摆锤式冲击机(例如HWJ-6) 上,摆锤的一端具有平整的冲击表面,其宽度略大于试样受力部分的 宽度(25 mm),摆锤的冲击表面应与试样上半部全面接触,摆锤的冲击 速度为3.5m/s。遭受冲击载荷破坏时所需的能量以粘接面积来表示:

式中:I——剪切冲击强度,N/cm;
W——试样断裂功,N·cm;
W₀——空白试验消耗功,N·cm;
S——粘接面积,cm²。
空白试验消耗功,是将已破坏了的试样端部紧靠在一起,重新进 行一次试验近似求得。
测量粘接面的长度和宽度,从而可计算出粘接面积(精确到 0.01 cm²)。
试样的胶层厚度一般为0.15～0.20 mm。试样不应少于5个,测 试结果取算术平均值。
如果要测定高、低温的冲击强度,需将试样在所规定的温度下恒 温保持20 min后再进行测试。
2)弯曲冲击强度的测定。弯曲冲击强度是指试样受到弯曲冲击 载荷作用破坏时,胶层破裂所消耗的功。试样形状与尺寸见图20。

图20 弯曲冲击强度测定的试样

试样端面粘接面应平整,并与试样纵轴垂直。测试时将试样置于摆 锤式冲击机的支架上,支架间距离为40 mm,冲击功为10～60 N·cm。 检查试样的位置,使胶层位于两支架间距的中央。摆锤端面应与试样 的轴线垂直,并通过支架的中心。准备完毕后,松开摆锤,使摆锤自由 落下,冲击速度为(3.5±0.5) m/s。试样断裂后,停止摆锤,记录摆锤 升起的角度(看刻度),即为试样破坏所消耗的功(结果精确至 0.01 N·cm)。再求出空白试验所消耗的功(即将破坏后试样的端部紧 靠在一起,重复一次冲击试验),记录刻度数。
可按下式计算弯曲冲击强度:

式中:I——弯曲冲击强度,N/cm;
W——破坏时所消耗的功,N·cm;
W₀——空白试验消耗功,N·cm;
S——粘接面积,cm²。
每组粘接试样应不少于5个,测试结果取算术平均值。
(5)剥离强度的测定方法
当粘接接头受到扯离力作用时,应力不是分布在整个粘接面上,而 是集中在胶层边缘附近。当两种薄的柔韧材料受到扯离力作用时,称为 “撕离”。当两种刚性不同的材料受到扯离力作用时,叫做“剥离”。金属 与橡胶、织物和塑料薄膜的粘接,应该进行剥离强度的测定。
1)橡胶与金属粘接时的剥离强度测定。橡胶与金属粘接时剥离 强度测定的试样尺寸见图21所示。

图21 橡胶与金属粘接剥离强度测定的试样

首先,按照胶粘剂规定的工艺,将橡胶粘接在金属板上。测定时, 把金属板从上方插到试验机的上夹头上,并以销钉固定。再将橡胶片 夹于试验机的下夹头上,剥离角为180°,以(100±5) mm/min的下降速 度,使橡胶片从金属板上剥离下来,经过一定时间(有效剥离为 100 mm),再自动记录负荷曲线见图22。

图22 180°剥离的负荷曲线

剥离强度σ_180°B按下式计算:
δ_180°B＝ C×S L·D
式中:δ_180°B——剥离强度,N/cm;
S——所绘图形面积,cm²;
D——试样宽度,cm;
L——图形底线EF的长度,cm;
C——图形上单位高度所表示的载荷,N/cm。
每组试样不得少于5个,计算结果精确到小数点后1位。
2)硬橡皮与金属粘接的剥离强度测定。由于硬橡皮内含补强剂 较多,硫化程度高,弹性较差,若再用180°剥离测定剥离强度,弯折时 橡皮易断裂,故改用90°剥离。试样形状及尺寸见图23。

图23 硬橡皮与金属粘接剥离强度测定的试样

测定方法:将硬橡皮夹持在试验机上、下夹头上,以(100±5) mm/min 的速度施力剥离,有效长度为100 mm,绘出负荷曲线,见图24。

图24 90°剥离的负荷曲线

按下述公式计算剥离强度:

σ_90°B＝C×S L·D

式中:σ_90°B——90°剥离强度,N/cm;
S——所绘图形面积,cm²;
D——试样宽度,cm;
L——图形底线EF的长度,cm;
C——图形上单位高度所表示的载荷,N/cm。
3)软质材料与金属粘接的强度测定。软质材料包括织物、塑料薄膜 等,可采用180°剥离方法进行测定剥离强度。试样形状与尺寸见图25。 测定方法见图26,测定时试验机下夹头移动的速度为110 mm/min。

图25 软质材料与金属粘接剥离强度测定的试样

图26 180°剥离强度的测定方法

4)压敏胶带180°剥离强度的测定。按照GB2792—81的规定,当 压敏胶带与被粘物为片、膜材料粘合时,将采用金属校直板进行 测定。
A.装置。压辊是用橡胶覆盖的直径为(84±1) mm,宽度为45 mm 的钢轮子,见图27所示。厚度为6 mm。压辊质量为(2000±50)g。拉 力试验机应符合JB707—77的要求,并应附有能自动记录剥离负荷的 绘图装置。

图27 辊压装置

B.试样。胶粘带宽度为(20±1)mm、(25±1)mm,长度约200 mm。 当胶粘带与板材粘合时,试验板表面应平整,试验时不应产生弯曲变 形。试验板尺寸见图28所示。

图28 试验板

胶粘带与片、膜材料粘合时,应使用金属校直板,其尺寸见图29。

图29 金属校直板

被粘片、膜材料要进行表面处理,为保证试验时保持180°的分离 角度,需用胶粘带将试片顺长度方向的两侧粘贴在金属校直板上。
C.试验条件。试验温度为(23±2)℃,相对湿度为(65±5)%。胶 粘带和被粘材料需在上述条件下放置2 h以上。
D.试验步骤。用精度不低于0.05 mm的量具测量胶粘带宽度。将 胶粘带剥开,切去外面的3～5层,均匀撕剥胶粘带,使胶粘带与被粘材 料一端粘接,其夹角大于30°;被粘材料的另一端下面放置一条长约200 mm,宽40 mm的涤纶膜,然后用辊压装置的轮子在自重下约以120 mm/s 的速度对试样来回辊压3次。放置规定的停放时间后,将试样自由端折 过180°,并剥开粘合面约10 mm。被粘材料夹在下夹持器上,试样自由端 夹在上夹持器上。应使剥离面与试验机的拉力线保持一致。
试验机以(300±10)mm/min的下降速度连续剥离,有效剥离粘合 面长度约100 mm,并由自动记录装置绘出剥离曲线(见图30)。

图30 压敏胶带180°剥离曲线

E.试验结果。在记录曲线中,AB、CD两部分不计入试验结果。 压敏胶带180°剥离平均强度σ_180°B按下式计算:
σ_180°B＝C×S L·b
式中:S——记录曲线中取值范围内的面积,cm²;
L——记录曲线中取值范围内的长度,cm;
b——胶粘带实际宽度,cm;
C——记录纸单位高度的负荷,g/cm。
代表同一性能的试样个数不应少于5个,试验结果以算术平均 值、最大值、最小值表示。