無(wú)機(jī)型磷酸鹽膠粘劑粘貼工藝對(duì)于有效粘貼的影響研究

魏 元，徐 岱，馮 衛(wèi)

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)公司，北京 100048）

0 引言

在熱試驗(yàn)中進(jìn)行熱參數(shù)測(cè)量時(shí)，有些試驗(yàn)需要應(yīng)用膠粘劑將傳感器粘貼在試件上。在高溫試驗(yàn)條件下不僅要求膠粘劑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且還要求膠粘劑可將傳感器有效粘貼在被測(cè)試件上[1]。

膠粘劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)，無(wú)機(jī)型膠粘劑的使用溫度通常在900 ℃以上，而有機(jī)膠粘劑的使用溫度一般在900 ℃以下[2]。隨著熱試驗(yàn)溫度的日益提高，在熱試驗(yàn)中應(yīng)用的膠粘劑逐漸以無(wú)機(jī)膠粘劑為主[3]。與有機(jī)膠粘劑相比，無(wú)機(jī)膠粘劑在耐溫性能上占有很大的優(yōu)勢(shì)，但是在粘貼工藝的要求上要嚴(yán)格很多。隨著試驗(yàn)溫度的升高，會(huì)發(fā)生傳感器脫離試件表面的現(xiàn)象，分析其原因是膠粘劑不能將傳感器有效粘貼在試件上所致[4]。選取Al(OH)3與H3PO4混合的無(wú)機(jī)型基底膠為例，從粘貼工藝入手，研究試件表面的處理、膠粘劑的固化工藝對(duì)膠粘劑有效粘貼的影響。

1 影響因素的分析與研究

常規(guī)的無(wú)機(jī)型膠粘劑粘貼工藝流程如圖 1所示，從流程圖中可以看出，表面處理和膠粘劑的固化在粘貼工藝流程中是較為靠前的工序，關(guān)系到接下來(lái)的粘貼工序能否繼續(xù)進(jìn)行。本文將對(duì)不同程度的表面處理和膠粘劑的固化工藝對(duì)有效粘貼的影響進(jìn)行研究和分析。

圖 1 膠粘劑粘貼工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of adhesive technology

1.1 表面處理對(duì)有效粘貼的影響

表面處理包括試件表面的粗糙化和清潔兩個(gè)步驟，粗糙化及清潔的目的主要是將試件表面上會(huì)阻止膠粘劑與試件接觸的漆、油脂等物質(zhì)除去，以擴(kuò)大膠粘劑在試件表面的鋪展范圍，使得膠粘劑可以與試件“咬合”，有利于膠粘劑的有效粘貼[5]。

為評(píng)價(jià)試件的表面處理對(duì)有效粘貼的影響，進(jìn)行了不同表面處理和室溫下固化后的正交性試驗(yàn)，并與常溫下的粘貼效果進(jìn)行比較，試驗(yàn)條件及結(jié)果如表1所示。

表 1 表面處理對(duì)常溫下有效粘貼影響的正交性試驗(yàn)Table 1 Orthogonal tests for the influence of surface treatment on effective adhesion under normal temperature condition

由以上正交性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在常溫條件下，徹底的表面處理可以確保傳感器有效地粘貼在試件上。

1.2 固化工藝對(duì)有效粘貼的影響

由圖1可知，固化工藝包括室溫固化和高溫加壓固化。室溫固化是使用膠粘劑將傳感器粘貼在試件上以后，裸露在空氣中進(jìn)行揮發(fā)固化，此工藝的關(guān)鍵是需要確保在空氣中足夠的裸露時(shí)間[6]；而高溫加壓固化則是在室溫固化的基礎(chǔ)上，使用夾具對(duì)膠粘劑粘貼點(diǎn)進(jìn)行加壓并在設(shè)定溫度下進(jìn)行烘烤，固化溫度及加壓點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵。

1）固化溫度的選擇分析

作為基底膠的Al(OH)3與H3PO4混合后在適當(dāng)?shù)母邷叵聲?huì)相互發(fā)生反應(yīng)并生成不同的磷酸鹽，即Al(H2PO4)3、Al2(HPO4)3和AlPO4[7]。該反應(yīng)屬于在液相中進(jìn)行的非均相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中磷酸分子向氫氧化鋁顆粒表面擴(kuò)散的活化能較反應(yīng)活化能大，故該反應(yīng)的速率主要受擴(kuò)散控制，反應(yīng)的總速率近似于擴(kuò)散速率。

周武藝等人對(duì)以上反應(yīng)建立如下模型[8]：Al(OH)3分子不動(dòng)，任何磷酸分子的進(jìn)入是以Al(OH)3分子為中心，當(dāng)進(jìn)入以rAB(rAB=rA+ rB)為半徑的球內(nèi)時(shí)（為了方便，用A表示Al(OH)3，用B表示 H3PO4），即可與 Al(OH)3分子反應(yīng)。由于反應(yīng)速率很快，故在 Al(OH)3顆粒鄰近區(qū)域的H3PO4濃度降低，形成濃度梯度。并對(duì)此模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出 H3PO4與 Al(OH)3的活化能為94.9 kJ·mol[8]。

此反應(yīng)的速率方程可表示為

式中：Kd為磷酸分子向Al(OH)3分子的擴(kuò)散速度；Kb為玻耳茲曼常數(shù)；A為參與反應(yīng)的Al(OH)3濃度；T為反應(yīng)溫度；Ea為活化能；R為常數(shù)。

由式(1)可知：在Al(OH)3濃度一定的情況下，溫度越高，磷酸分子向Al(OH)3分子的擴(kuò)散速度越快，使得該反應(yīng)的速率提高。

由以上分析可以得出結(jié)論：在膠粘劑使用量固定的前提下，在試件可以承受的溫度范圍內(nèi)，選擇低于膠粘劑各組成成分的熔點(diǎn)溫度條件下，提高固化溫度可以有效地控制并減少膠粘劑的固化時(shí)間。

2）加壓工藝的分析

根據(jù)潤(rùn)濕理論分析加壓工藝對(duì)有效粘貼影響，假設(shè)膠粘劑液體在固體表面上形成液滴，如圖2所示。

圖 2 液滴在固體表面的平衡狀態(tài)Fig. 2 Equilibrium state of droplet on the solid surface

從圖2可看出：γs-g力使液滴沿固體表面擴(kuò)展，而γg-l和γl-s力則使液滴收縮。在平衡狀態(tài)下這些張力與接觸角θ的關(guān)系可以用楊氏公式表示為

當(dāng) θ=0°時(shí)，液體對(duì)固體完全浸潤(rùn)，且自發(fā)地?cái)U(kuò)展到表面上；當(dāng)0°＜θ＜90°時(shí)，液體部分浸濕在固體上；當(dāng)θ=90°時(shí)，液體處在擴(kuò)展與不擴(kuò)展的分界處；當(dāng)90°＜θ＜180°，液體不會(huì)在固體表面擴(kuò)展；當(dāng) θ=180°時(shí)，液體完全不會(huì)在固體表面擴(kuò)展。因此可以得出以下結(jié)論：自發(fā)浸潤(rùn)的產(chǎn)生（即膠粘劑與試件表面大面積接觸）必須滿足接觸角0°＜θ＜90°的條件；當(dāng)θ=0°時(shí)，膠粘劑可完全擴(kuò)展于固體表面上[9]。如果膠粘劑不能在固體表面浸潤(rùn)，則可通過(guò)壓力的施加迫使膠粘劑液滴在固體表面擴(kuò)展浸潤(rùn)[10]。

在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)傳感器與試驗(yàn)件剝離的現(xiàn)象，分析其原因是：在高溫固化過(guò)程中膠粘劑由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致成分發(fā)生改變，使得膠粘劑與試件間的接觸角不滿足完全浸潤(rùn)條件，膠粘劑與試件粘貼不完全，而在膠粘劑層產(chǎn)生大量熱應(yīng)力；在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著溫度的升高，熱應(yīng)力的作用使得膠層與試件表面相互剝離。因此可通過(guò)施加外力以消除熱應(yīng)力，使得膠粘劑與試件盡量保持完全貼合。

3）加壓固化工藝對(duì)有效粘貼影響的正交性試驗(yàn)研究

為了評(píng)價(jià)不同的加壓固化工藝對(duì)有效粘貼的影響，進(jìn)行以下正交性試驗(yàn)：在保證膠粘劑在室溫條件下自然干燥且有效粘貼試件的前提下，使用或不使用夾具對(duì)粘接處進(jìn)行設(shè)定壓力的加壓，或選擇加壓位置不同，然后按照相關(guān)規(guī)定對(duì)膠粘劑進(jìn)行不同溫度的烘烤，最后對(duì)比粘貼情況。試驗(yàn)條件和結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)實(shí)施方案和結(jié)果對(duì)比表Table 2 Orthogonal test implementations and results

從表2中的正交性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在試驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)論是在緩慢升溫還是快速升溫條件下，只進(jìn)行低溫固化工藝的膠粘劑，無(wú)論是否加壓，傳感器都會(huì)從試件上完全或者部分剝離下來(lái)；而選擇了高溫固化并且同時(shí)選擇針對(duì)膠粘劑粘貼點(diǎn)進(jìn)行加壓，傳感器有效地粘貼在試件表面，并具有一定的粘貼強(qiáng)度。因此選擇粘貼點(diǎn)加壓的高溫固化工藝有利于膠粘劑的有效粘貼。

2 結(jié)論

本文通過(guò)混合無(wú)機(jī)型膠粘劑Al(OH)3與H3PO4的應(yīng)用，探索和研究了試件的表面處理、膠粘劑的加壓固化等工藝對(duì)膠粘劑有效粘貼的影響。得出結(jié)論：徹底的表面處理工藝及粘貼點(diǎn)的加壓高溫固化工藝有利于膠粘劑將傳感器有效地粘貼在試件表面，采用這兩種處理工藝有利于熱試驗(yàn)中的熱參數(shù)測(cè)量。

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