在膠黏劑實際應用中,經常會碰到一個問題——如何評價膠黏劑的長期可靠性?例如,承諾產品在外場使用3年不出問題,那么作為產品內部輔料的膠黏劑其壽命也不能低于3年。在面對這種問題時,最好的方法其實是將產品直接使用3年,不出問題就視為實驗通過。例如,美國3M公司在對其VHB膠帶產品進行評價時,收集了膠帶在各種實際使用場景中5年,甚至10年的數據...但這種實驗的時間成本非常高,并不適合經常使用。因此,在實際工作中,工程人員常使用加速老化試驗來評價膠黏劑的可靠性。
加速老化試驗是用人工的方法,在室內或設備內模擬近似于大氣環境條件或某種特定環境條件,并且強化一些因素,從而在短期內獲得試驗結果。實驗室常用恒溫恒濕箱,快速溫變試驗箱等模擬不同環境。常見溫濕度條件有85℃,85%RH;60℃,90%RH等,視需要而定。
那么如何確定試驗條件和試驗時間并進行完整的加速老化試驗?有以下5個基本步驟:
1. 確認樣品的敏感應力
敏感應力,就是指哪種條件對樣品性能的影響最大,以膠黏劑為例,膠黏劑大多數都是高分子聚合物,長時間的熱-氧老化,或者長時間的水汽侵蝕,都對膠接界面及膠黏劑本身的高分子鏈有很大的影響,那么溫度、濕度就是膠黏劑的敏感應力,首選使用雙85的加速老化試驗。
2. 確認產品在實際使用場景下的溫濕度
某些產品內部使用的膠水,其使用位置靠近發熱元器件,溫度會很高,達到七八十度,那么一般的85℃加熱對其就沒有明顯的加速效果,需要疊加別的應力,例如更高的濕度(因產品在高溫下的濕度通常較低),才能達到縮短試驗周期的目的。如果膠水的使用位置附近并沒有發熱元器件,那么膠水基本就和使用環境是相同的溫濕度,例如常用在建筑上的硅酮密封膠。那么為了后面計算準確,就需要了解當地的溫濕度的情況,在三亞使用的密封膠和在哈爾濱使用的密封膠面對的環境顯然是不一樣的。
3. 確認失效判據
大部分電子元器件的失效判據都比較明顯,無非是可用和不可用兩種狀態。但膠黏劑老化是更加緩慢的過程,性能退化可能也沒有那么明顯。因此對于失效判據的確定需要工程師根據實際去制定,例如光學膠,可以使用某一特定值的透光率和折射率作為失效判據。
4. 確認老化模型和試驗參數,計算老化時間
工程常用的老化模型有3種,只考慮溫度加速因子的Arrhenius 模型,綜合溫度及濕度因素的Arrhenius Mode With Humidity模型和綜合考慮溫濕度的Hallberg Peck模型。下面以Hallberg Peck模型簡單說明其計算過程。PECK公式為
其中AF:加速因子
Ea:激活能,通常可取0.7ev
K:玻爾茲曼常數,其值為 8.617385 × 10-5
RHt:測試環境的相對濕度值,%
RHu:使用環境的相對濕度值,%
Tt:測試環境的溫度,K
Tu:使用環境的溫度,K
代入計算可得加速因子AF的值
如果要求產品的壽命達到10年,即10*365*24=87600h
那么試驗時間為87600/AF
5. 進行試驗得到結果
以上只是簡化的試驗步驟,在實際的應用過程中,可能會碰到很多問題。例如,實際使用時,膠水所處的環境條件并不是恒定的,是跟隨設備功率和室內外溫濕度變化的,如果按照最嚴苛的條件去計算,那么計算出的試驗時間可能會很長,這個時候就必須去細化溫濕度的數據,以下表格為例,越詳細則越好,最后通過公式,疊加計算可得到試驗時間。
又或者是碰到樣本量的問題,尤其是膠黏劑的粘接強度測試大多數都屬于破壞性試驗,其樣品在老化中不能反復測試和使用,這個時候,需要根據是單純的壽命鑒定試驗還是要觀察退化趨勢,以及試驗的成本和產品端的要求,來選取不同的測試間隔時間點和樣本數量,這也屬于可靠性工程的范疇,此處不做贅述。
總的來說,膠黏劑的等高分子的加速老化試驗以及其可靠性工程,并沒有電子元器件的可靠性工程發展的那么成熟,在實際工作中會碰到各式各樣的問題,需要膠黏劑工程師的實際經驗作為參考,才能最大限度的保證膠黏劑在實際生產使用中的可靠性。