水密電纜與不銹鋼接頭的粘合性能

賀學(xué)明，劉 鋒，龔亞軍，向 超 徐鐵強(qiáng)

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍駐某地軍事代表室，湖北 武漢 430064;3.中國人民解放軍92337部隊，遼寧 沈陽 110001)

0 引言

在水密傳感器的設(shè)計中，常常要考慮到水密電纜橡膠護(hù)套與金屬接頭的粘合問題，因為此處往往是強(qiáng)大水壓環(huán)境下海水泄漏的薄弱環(huán)節(jié)，故首先應(yīng)考察橡膠與金屬的粘合強(qiáng)度，而且還應(yīng)重視耐海水腐蝕及耐天候老化。橡膠與金屬的粘結(jié)可大致分為直接法(使未硫化膠與金屬疊合，在硫化時粘合的方法)和間接法(金屬表面使用粘合劑后再與未硫化膠疊合，在硫化時使其粘合的方法)2種。除特殊用途外，一般多數(shù)場合采用的是間接法。

關(guān)于金屬/下涂層粘合劑的粘合機(jī)理，尚無確定的結(jié)論。文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，除了錨固效應(yīng)、按扣效應(yīng)等物理結(jié)合外，可以認(rèn)為，在酚醛樹脂類下涂層粘合劑與金屬之間可能存在氫鍵或更強(qiáng)的結(jié)合。粘合劑分子是具有較多極性基因的高聚物，可以期望其產(chǎn)生氫鍵。而作為更強(qiáng)的結(jié)合，可以認(rèn)為鋼材表面最外層的Fe2O3在硫化粘合反應(yīng)時還原生成(RCOO)2Fe這種二價化合物而產(chǎn)生粘合。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，實現(xiàn)熱硫化粘接的機(jī)理為:膠粘劑中的鹵素分子(在鹵化橡膠的分子鏈上)，如氯、溴分子，以共價鍵、離子鍵的形式，將金屬原子(如鐵原子)與鹵化橡膠結(jié)合，同時在熱硫化的作用下，膠粘劑與橡膠產(chǎn)生共交聯(lián)，從而完成粘合過程。上述2種觀點基本一致。

從粘合機(jī)理不難發(fā)現(xiàn)，直接影響電纜護(hù)套與金屬接頭粘合性能的因素有硫化工藝條件、金屬表面處理以及膠粘劑的選擇等。下面以氯丁橡膠護(hù)套與不銹鋼接頭的硫化為例，探討各因素對硫化性能的影響。

1 電纜與不銹鋼接頭的硫化模型

在一種水密傳感器中，水密電纜需要和金屬接頭粘接成為一個整體，以保證水密傳感器承受水壓條件下工作可靠、傳輸信號穩(wěn)定。其硫化模型如圖1所示，主要由水密電纜、不銹鋼接頭和填充橡膠組成，在硫化前填充橡膠為混煉膠。評價硫化性能的重要指標(biāo)，是電纜護(hù)套和不銹鋼接頭的粘合強(qiáng)度，在水密傳感器的應(yīng)用場合反映為承受外界海洋環(huán)境下的水壓。

圖1 水密電纜與不銹鋼接頭模型Fig.1 The structure of watertight cable and stainless plug

水密電纜護(hù)套的材料為氯丁橡膠CR。由于氯丁橡膠分子結(jié)構(gòu)上帶有側(cè)氯基，因而氯丁橡膠為極性橡膠。與其他通用橡膠相比，氯丁橡膠具有與天然橡膠相類似的強(qiáng)度、優(yōu)良的耐老化性、優(yōu)異的耐燃性、良好的耐油性和耐溶劑、良好的粘合性，可粘性指數(shù)如圖2所示［3］。通過適當(dāng)配合，CR硫化膠的耐候性能、耐臭氧性明顯優(yōu)于NR、SBR和NBR。此外，與其他橡膠相比，CR對抗氧劑的敏感程度要強(qiáng)烈得多。比較適合的Baypren硫化膠通常包含一種污染性的防老劑(Vulkanox 4020)或非污染性的防老劑(Vulkazon AFD)以及一種光穩(wěn)定劑(Antilux)，這樣耐天候老化7 a后仍沒有出現(xiàn)裂紋［4］。基于電纜護(hù)套材料和氯丁橡膠的上述優(yōu)點，填充橡膠選擇氯丁橡膠。

圖2 通用橡膠的可粘性指數(shù)Fig.2 Adhesion Index of Rubbers

2 影響電纜與不銹鋼硫化的因素

2.1 硫化工藝條件

硫化的溫度、壓力和時間是構(gòu)成硫化工藝條件的主要因素，這些因素對產(chǎn)品硫化質(zhì)量有決定性的影響，通常被稱為“硫化三要素”。下面逐一分析各要素對硫化性能的影響。

硫化溫度的高低決定于膠料配方中的橡膠品種和硫化體系，也與產(chǎn)品的形狀、大小、厚薄等因素和工廠的工藝條件有關(guān)。一般硫化溫度越高，膠料物理機(jī)械性能越低，過高的溫度會引起橡膠分子鏈的裂解和發(fā)生硫化返原現(xiàn)象，使性能下降且工藝控制困難。Baypren混煉膠的硫化溫度一般不易低于150℃，更低的硫化溫度會引起硫化時間不必要的延長［5］。然而，橡膠是熱的不良導(dǎo)體，特別是對于厚橡膠制品，采用高溫硫化很難使內(nèi)外層膠料同時達(dá)到硫化曲線的平坦區(qū)間。另外，對結(jié)構(gòu)簡單的薄壁制品，硫化溫度可高一些。因此，選擇適當(dāng)?shù)牧蚧瘻囟龋瑢ΡＵ袭a(chǎn)品質(zhì)量和提高硫化效率，有十分重要的意義。

在圖1中，水密電纜與不銹鋼接頭的硫化模型，屬于具有金屬嵌件的橡膠模型制品，可采用傳遞模壓模型制品平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化。根據(jù)生產(chǎn)工藝經(jīng)驗，模壓壓力約為3 MPa。

通常橡膠制品的硫化時間在膠料達(dá)到正硫化范圍內(nèi)，根據(jù)制品的性能要求進(jìn)行選取，并且還要根據(jù)制品的厚度h和布層等的存在進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)試片的正硫化時間t1確定成品硫化時間t［6］。

已知圖1模型厚度為9 mm，試片的正硫化條件為150℃ ×10 min，那么該模型制品的硫化時間

2.2 金屬表面處理

一般來講，對金屬表面進(jìn)行均勻化、凈化、活化處理，以及鈍化處理或表面被膜處理等表面改性(粘合預(yù)處理)，主要是為防止電化學(xué)腐蝕、充分發(fā)揮金屬及粘合劑的功能而采取的措施。需要注意的是:①應(yīng)選擇可確保所要求凈化度的適當(dāng)凈化方法;②應(yīng)選擇可確保所要求粘合性能的適當(dāng)?shù)谋砻娓男苑āτ趫D1中的不銹鋼接頭，適合以高濃度酸或堿浸漬的化學(xué)處理并干燥，等待下一步的涂膠。

2.3 膠粘劑的選擇

膠粘劑系統(tǒng)在橡膠和金屬間接粘合方法中發(fā)揮重要的作用。比較著名的膠粘劑有Chemlok，Tylok，Metalok，Thixon等，特別是Chemlok系列膠粘劑，在國內(nèi)有較廣泛的應(yīng)用。在本模型中考慮到氯丁橡膠與不銹鋼的平板硫化，不銹鋼采用CH220/CH205的雙涂體系。具體做法是:先涂膠粘劑CH205，干燥后再涂膠粘劑CH220，干燥待用。

3 硫化加工及試驗研究

3.1 硫化加工

根據(jù)水密電纜與不銹鋼接頭的模型特點，制作了金屬模具，包含了上半模、下半模和料筒。在傳遞模壓模型制品平板硫化機(jī)上，150℃ ×14.5 min、模壓壓力3 MPa的硫化條件進(jìn)行硫化，制作如圖1所示的橡膠制品10件，成品外觀整潔，膠壁厚薄均勻，脫模時無撕裂，無缺膠、爛泡、明疤等現(xiàn)象，效果較理想。

3.2 試驗研究

圖3 水密試驗原理圖Fig.3 The principle diagram of water pressure testing

為檢驗橡膠與金屬的粘合性能是否滿足水密傳感器深水工作壓力的需要，進(jìn)行了水密試驗，原理圖如圖3所示。將裝配后的水密傳感器放入壓力試驗桶內(nèi)，并用填料、壓蓋將水密電纜和試驗桶出口壓緊。通過測量水密傳感器芯線的絕緣電阻，判斷海水是否通過電纜橡膠護(hù)套、不銹鋼接頭和填充橡膠的粘合處泄漏進(jìn)入傳感器內(nèi)腔。

模擬水密傳感器的工作環(huán)境，分別進(jìn)行恒壓水密試驗和交變壓力水密試驗。恒壓水密試驗是將水壓逐漸加壓到水密傳感器工作壓力的1.5倍并保壓2 h。交變壓力水密試驗是逐漸加壓至傳感器工作壓力的1.5倍并保壓10 min，然后逐漸降低壓力試驗桶內(nèi)的壓力至常壓。此過程為1次交變壓力試驗，共進(jìn)行100次。結(jié)果顯示，在恒壓水密試驗和交變壓力水密試驗過程中絕緣電阻均未降低，表明電纜護(hù)套和不銹鋼接頭的粘合強(qiáng)度滿足水密傳感器工作壓力要求。

為進(jìn)一步檢驗氯丁橡膠與不銹鋼接頭的粘合強(qiáng)度，加速破壞過程，進(jìn)行折彎試驗。在填充橡膠與電纜連接端部交替方向折彎90°，朝一個方向折彎90°一次，累積折彎100次后，再次進(jìn)行恒壓水密試驗，以檢驗電纜橡膠護(hù)套、不銹鋼接頭和填充橡膠的粘合處是否泄漏海水。10件制品均通過了上述試驗。

4 結(jié)語

水密電纜橡膠護(hù)套與金屬接頭的粘合性能，直接影響水密傳感器的水下工作可靠性，是水密傳感器設(shè)計的重點。通過對影響硫化性能的因素——硫化工藝條件、金屬表面處理以及膠粘劑選擇等分析，得出了合理的硫化工藝條件、金屬表面處理方法和匹配的膠粘劑。硫化加工了10件樣品，經(jīng)歷恒壓水密試驗、交變壓力水密試驗和折彎試驗，結(jié)果表明，氯丁橡膠護(hù)套和不銹鋼接頭的粘合強(qiáng)度滿足水密傳感器的工作要求。

［1］飯泉，信吾.橡膠/金屬硫化粘合體在腐蝕環(huán)境中的粘合耐久性［J］.橡膠參考資料，1993，23(4):21－29.FAN Quan，XIN Wu.The adhesion durability of vulcanized rubber to metal in corrosion environment［J］.Rubber Reference，1993，23(4):21－29.

［2］伍華東.橡膠與金屬骨架粘合失效原因分析及解決方法探討［J］.中國橡膠，2006，22(20):32－35.

［3］彭程紀(jì)，鮑躍進(jìn)，陳林.開姆洛克系列膠粘劑的性質(zhì)及選用［J］.特種橡膠制品，1989，(6):23－31.PENG Cheng-ji，BAO Yue-jin，CHEN Lin.The properties of Chemlock adhesive and its application［J］.Special Purpose Rubber Products，1989，(6):23－31.

［4］駱瑞靜.氯丁橡膠(Baypren)的性能、加工及其應(yīng)用(續(xù))［J］.橡膠參考資料，2009，39(2):52－55.LUO Rei-jing.Properties，processing and application of neoprene(Baypren)(continuation)［J］.Rubber Reference，2009，39(2):52－55.

［5］駱瑞靜.氯丁橡膠(Baypren)的性能、加工及其應(yīng)用［J］.橡膠參考資料，2009，39(1):47－55.LUO Rei-jing.Properties，processing and application of neoprene(Baypren)(continuation)［J］.Rubber Reference，2009，39(1):47－55.

［6］翁國文.橡膠硫化［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.25－26.