双面胶带剥离强度测试的影响因素

刘其林，黄颖瑜，邓伟文，黄 倩

（3M材料技术（广州）有限公司，广东 广州 510660）

双面胶带剥离强度测试的影响因素

刘其林，黄颖瑜，邓伟文，黄 倩

（3M材料技术（广州）有限公司，广东 广州 510660）

采用4种典型双面胶带（特殊泡棉胶带VHB4914- 15、无纺布基材双面胶带9448A、无基材双面胶带468 MP和PET基材双面胶带55258），系统研究了剥离角度、背材厚度种类以及剥离速度对于剥离强度测试的影响并从力学和能量的角度进行了深入分析。测试结果符合经典的剥离模型的预测，但是不同的双面胶带结构导致对于模型预测的不同程度偏离。

双面胶带；剥离强度；角度；背材；速度

剥离（Peel）、初粘（Tack）和剪切（Shear）是压敏胶带的3项最重要的基本性能。剥离测试直接表征破坏单位面积的粘接部位所需的能量[1]，操作方便快捷，数据重复性好，并且能够提供非常丰富的信息。通过剥离测试的数值、曲线和破坏模式，可以推断压敏胶带对被粘基材的亲和程度、压敏胶带的内聚强度和均匀程度等重要特征[2]，因此被广泛采用作为压敏胶带质量控制和来料检测的有效手段，全球主要标准体系（ASTM、PSTC、FINAT、AFERA、JIS和GB等）都有相关的详细描述和规定。为了更好地模拟应用情形，实际使用的剥离测试经常会与标准方法存在一定差别。压敏胶带的剥离强度对测试条件变化的敏感程度对于胶带选型、受力分析和粘接接头设计等实际应用具有指导意义，值得深入研究，但是目前很少有相关研究报道。本研究选用市场中常见的厚度相同或者接近的4种不同结构的双面胶带，分别考查角度（Angle）、背材（Backing）和速度（Velocity）对剥离强度测试结果的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

镜面不锈钢测试板（SUS304），美国ChemInstruments；异丙醇，分析纯，成都科龙化工试剂厂；不同厚度的聚酯薄膜（PET），日本三菱化学；0. 13 mm厚度氧化铝箔，美国ChemInstruments。所有胶带样品均为市售3M产品（见表1），详细规格可参考公开的3M产品技术规格。

表1 各种胶带样品Tab.1 Tape samples used for study

1.2 测试设备

万能材料实验机，美国INSTRON 5569；桌面型剥离强度测试机，美国IMASS SP- 2000；电动碾压辊轮（辊轮质量约2 kg），日本HYCHTECH。

1.3 测试方法

双面胶带剥离强度测试参照ASTMD-3330标准。

2 理论分析

关于剥离机理的分析，长期以来一直流行应力分布和能量均衡2种方法。应力分布方法[3]基于弹性基材的横梁弯曲理论（图1）[4]，将剥离力量分解为剥离分开位置的劈裂应力σ0和剪切应力λ0，当λ0＜σ0时，可以得到剥离强度的简化表达式（1）：

σ0是X=0处（剥离起始位置）的劈裂应力，Y是 压敏胶的弹性模量，E是被粘材料的弹性模量，α是压敏胶层厚度，ω是粘接宽度，I是 背材的惯性力矩，m是剥离力相对于剥离分开位置的力臂，θ为剥离角度，P为剥离力量，P/ω为剥离强度。

图1 剥离机理分析：应力分布方法[4]Fig.1 Peeling mechanism analysis：stress distribution method[4]

能量均衡方法[5]分别考查剥离分开过程的各种能量变化和剥离力的做功（图2）[3]，遵循能量守恒定律得到方程(2）:

b是粘接宽度，R是破坏单位面积的粘接所需要的能量，△c为被剥离分开的微元长度，F为 剥离力，θ为剥离角度，d为背材厚度，E为背材的弹性模量。

图2 剥离机理分析：能量均衡方法[5]Fig.2 Peeling mechanism analysis：energy equilibrium method[5]

应力分布方法使用的数学模型比较复杂，对于具有粘弹特性的压敏胶存在很大的内在困难，只能对很多因素进行高度简化处理，不能直观体现剥离过程中的能量耗散等动态过程，因此，能量均衡方法的应用更加广泛，例如，近年得到高度关注的壁虎粘接技术的研究中就大量使用能量均衡方法建立各种模型[5～7]。

当然，应力分布方法和能量均衡方法都存在明显的局限，都不能全面地解释剥离强度测试的所有影响因素。本研究综合使用2种方法对实验结果进行分析。

3 结果与讨论

3.1 角度对剥离强度测试的影响

在应力分布方法中，当βm＞Sinθ时，K= 1，式（1）简化为：

其中ασ2/2Y为 剥离分开位置单位面积胶层中储存的能量，不随剥离角度变化[1]。

在能量均衡方法中，当测试背材的塑性形变很小以致可以完全忽略时，式（2）简化为：

其中，R为破坏单位面积的粘接所需要的能量，不随剥离角度变化[8]。

由此可见，在2种分析方法中，剥离强度与剥离角度的关系是基本相同的，与1/（1-cosθ）呈直接比例关系。

在不同剥离角度下测试所得的剥离强度结果如表2及图3所示。由式（4）可知当θ=90°时F/ b= R，即剥离强度等于破坏单位面积的粘接所需要的能量。从表2可知VHB4914- 15的R值约为120 N/ 100 mm，9448A、468MP和55258的R值约为80 N/ 100 mm。在图3拟合2条曲线A和B[P= 80/（1-cosθ）和P= 120/（1- cosθ）]，从而可以发现，55258与曲线B重合程度最高，9448A与468MP对曲线B稍有偏离，VHB4914- 15对曲线B的偏离最为显著。这种差别与4种双面胶带的结构差别完全对应：55258是以12 μm厚度PET薄膜为基材在2面涂覆60 μm压敏胶的双面胶带，与50 μm PET背材贴合后进行剥离测试，基本结构与应力分布方法和能量均衡方法中的模型非常接近，因此较为符合2种方法推导得到的变化规律。9448A的无纺布基材被压敏胶完全湿润，468MP是没有基材的双面胶带，2者厚度和结构都比较接近，剥离强度随剥离角度的变化规律类似。VHB4914- 15是非常特殊的闭孔泡棉胶带，胶层与泡棉完全融合为一体，受到剥离作用时，胶层与泡棉整体产生很大的形变耗散能量，因此剥离强度高且随剥离角度的变化趋势与其他3种胶带存在明显区别。

当剥离角度从90°升高到180°时，所有4种双面胶的剥离强度明显升高，这与式（3）与式（4）预测的90°剥离强度是180°剥离强度的2倍是明显背离的。这种现象在此前的文献中亦有报道[9,10]，原因可能是当剥离角度从90°升高到180°时，胶层以及作为背材的PET薄膜的形变会明显变大，导致耗散的能量显著增加，耗散的能量对剥离强度的贡献明显增加，这部分贡献在式（3）与式（4）没有得到定量的体现。粘弹特性最显著、胶层形变最明显的VHB4914- 15的180°剥离强度超过90°剥离强度的2倍，证明前述解释的合理性。

在更小的剥离角度下，剥离破坏逐渐转变为边界的剪切破坏，应用剥离机理解释相关变化已经不太合适[4]，因此本研究没有涉及剥离角度小于30°时的剥离强度与剥离角度的关系。

表2 剥离强度与剥离角度的关系Tab.2 Peeling strength as function of stripping angle（背材：50 um PET；剥离速度：300 mm/min）

图3 剥离强度与剥离角度的关系Fig3 Peeling strength as function of stripping angle

3.2 背材对剥离强度测试的影响

利用初等弯曲理论对剥离过程中背材弯曲的塑性形变进行分析[9]，根据能量和做功的均衡，可以得到背材弯曲的塑性形变导致的90°剥离强度的增加值为（见式5）：

Py为 剥离强度的增加量，σy为 背材的屈服应力，ey为 背材的屈服应变，t为背材厚度，R为 背材弯曲的曲率半径。当R值很小时且剥离过程采用最小曲率半径R= t/ 2时，剥离强度的增加量达到最大值（见式6）：

即Py与 背材厚度t呈直接比例关系。由此可以得到整体剥离强度（见式7）：

P0为不存在背材的塑性形变时候的90°剥离强度。值得注意的是在式（5）中，当t= 2Rey时 ，Py=0。式（6）只是在t值及R值都很小的状况下对式（5）的近似处理，不应理解为Py随 t增大而一直增大，而应理解为Py随t增大先由0增加为最大值而后又减小为0。

表3及图4为使用不同厚度的PET薄膜作为基材测试得到的剥离强度结果。VHB4914-15的剥离强度较高，在测试的PET薄膜厚度范围内，都能使PET薄膜发生明显塑性形变，越厚的PET薄膜发生塑性形变消耗的能量越大，对剥离强度的贡献越大，因此剥离强度一直升高，基本符合式（7）所示规律。468MP与9448A结构接近，剥离强度的变化趋势也类似，随着背材厚度增加，先升高再降低。当PET薄膜厚度很小时，剥离强度明显大于PET 薄膜的屈服应力，很容易发生塑性形变，但是消耗的能量很少，对剥离强度的贡献有限；当PET薄膜厚度很大时，剥离强度接近或者小于PET薄膜的屈服应力，很难发生或者没有塑性形变，对剥离强度的贡献也非常有限甚至接近于零。因此，随着PET薄膜厚度增加，剥离强度先增加至最大值而后逐渐减低为零。类似现象在其他研究中亦曾出现[11]。468MP的剥离强度略高于9448A，导致背材的塑性形变略大，消耗能量更多，剥离强度随背材厚度增加的幅度更大。55258的剥离强度与背材厚度的关系很小，考虑到测试误差，可以近似认为剥离强度基本保持恒定。55258是以12 μm厚度PET薄膜为基材的双面胶带，这层PET薄膜在剥离过程中会发生明显的塑性形变，剥离力量被缓冲后传递至作为背材的PET薄膜已经很少，不足以引起这些更厚的PET薄膜的塑性形变，从而不会对剥离强度产生额外的贡献。

表3 剥离强度与背材（PET薄膜）厚度的关系Tab.3 Peeling strength as function of backing material thickness（剥离角度：90°；剥离速度：300 mm/min）

图4 剥离强度与背材（PET薄膜）厚度的关系Fig.4 Peeling strength as function of backing material thickness

使用125 μm氧化铝箔作为背材，测试结果明显高于125 μm PET薄膜。由于氧化铝箔的弹性模量（71 GPa）远大于PET薄膜的弹性模量（0. 3 GPa），可以假定在剥离强度测试过程中氧化铝箔没有发生塑性形变，背材对剥离强度的贡献可以忽略。剥离强度的增加主要来自胶层与氧化铝箔结合更加紧密从而使得剥离分开时胶层的变形程度更高，更多的能量被胶层吸收[9]。

3.3 速度对剥离强度测试的影响

根据式（4），当剥离角度θ=90°时，剥离强度随剥离速度变化的规律就是粘接能量的变化规律。在相关研究中[12～14]，得到的经验关系见式（8）：

其中R是 剥离速度为V时破坏单位面积的粘接所需要的能量，R0为剥离速度为V0时破坏单位粘接面积所需要的能量，n是与胶层聚合物内在特性相关的常数。

表4及图5是在不同剥离速度条件下得到的剥离强度。从数据分析可以发现，所有4种双面胶带的剥离强度随剥离速度的变化都满足式（8）所示的基本规律，对于这4种胶带，V0=1 mm/ min，n为各种胶带的特性常数，在0. 1757～0. 2459内。468MP与9448A 的结构和剥离强度都很接近，它们的变化规律比较接近。结构和性能最为特殊的VHB4914-15的变化规律与其他3种胶带的区别最为明显。由于胶层中存在与粘弹聚合物完全不同的12 μm PET薄膜，55258的剥离强度变化规律与式（8）的吻合程度有所降低。另外，所有数据在剥离速度为5～1 250 mm/ min的范围内对式（8）所示规律的重合程度最高。由于实验条件限制，本文没有测试在更低（例如0. 5、0. 05、0. 005 mm/ min）和更高（例如50 000、500 000、5 000 000 mm/ min）剥离速度条件下的剥离强度。

表4 剥离强度与剥离速度的关系Tab.4 Peeling strength as function of peeling speed（剥离角度：90°；背材：50 μm PET薄膜）

图5 剥离强度与剥离速度的关系Tab.5 Peeling strength as function of peeling speed

通过WLF方程，可以将高温或者低温条件下的剥离速度转化为常温下的剥离速度，从而得到很宽范围内剥离强度与剥离速度的关系[15，16]。非交联聚合物或者分子质量不高的聚合物会经历黏流态-高弹态-玻璃态的转变过程，对应于剥离失效模式的内聚破坏-界面破坏-剥离跳跃的转变，而交联聚合物或者分子质量较高的聚合物的相应变化是高弹态-玻璃态和界面破坏-剥离跳跃。4种样品是交联足够、内聚强度出色的高性能双面胶带，在本研究的剥离速度范围内，仍然是典型的高弹态，所有剥离测试均呈现干净的界面破坏，且剥离强度随剥离速度指数增加，这与其他研究的结果是一致的[15，16]。当剥离速度继续升高，剥离强度超过最大值后，可能会出现下降，且破坏模式会发生改变，出现剥离跳跃现象。

4 结论

通过对4种不同结构双面胶带的剥离强度测试，发现剥离角度、背材厚度和种类以及剥离速度对剥离强度的测试结果存在明显影响。由于这4种双面胶带的压敏胶体系都是充分交联的聚丙烯酸酯，因此它们的变化规律比较接近，基本符合经典的粘弹聚合物剥离模型预测的趋势，不过双面胶带结构的差异也导致它们对于模型预测的不同偏离。这些因素对于剥离强度的影响也可以为模切工艺的离型纸剥离和排废以及干净移除遮蔽胶带和保护膜等工艺提供重要的指导。

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Factors affecting peeling strength test of double coated tape

LIU Qi-lin, HUANG Ying-yu, DENG Wei-wen, HUANG Qian
(3M Materials Technology(Guangzhou) Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510660, China)

Using four widely used double coated tapes with typical structures (special foam tape VHB4914-15, nonworen substrate double coated tape 9448A, adhesive transfer tape 468MP and PET substrate double coated tape 55258), the effects of stripping angle, type and thickness of backing material and peeling speed on the peeling strength were systematically studied, and were deeply analyzed from the viewpoints of mechanics and energectics. The test results were agreeable with the predictions of the classic peeling models. However, their different structures caused different extent of deviations to these classic peel models.

double coated tape; peeling strength; angle; backing material; speed

TQ436+.3

A

1001-5922（2017）05-0048-06

2016- 10- 01

刘其林（1982-），男，硕士，工程师，主要从事粘接技术研究及应用支持。E- mail：cliu2@ mmm. com。