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。

       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