表面處理對超高相對分子質量聚乙烯與金屬黏接性能影響的研究

吳蘇煒

（合肥通用機械研究院，安徽省合肥市 230088）

表面處理對超高相對分子質量聚乙烯與金屬黏接性能影響的研究

吳蘇煒

（合肥通用機械研究院，安徽省合肥市 230088）

超高相對分子質量聚乙烯與金屬的黏接主要依靠表面黏附，表面處理是影響黏接質量的重要因素。對超高相對分子質量聚乙烯和金屬分別采用不同的表面處理方法進行處理，處理完成后進行黏接得到黏接試件，測試各組試件的黏接強度，得到黏接效果最好的一組。實驗證明：采用化學方法處理后的試件黏接強度最好，黏接強度是經過簡單表面清理試樣的2.8倍。

超高相對分子質量 聚乙烯 表面處理 黏接性能

超高相對分子質量聚乙烯是一種性能優異的工程塑料，具有很好的耐磨損、抗沖擊及耐化學藥品腐蝕等性能［1-2］。超高相對分子質量聚乙烯和金屬傳統的連接方法包括螺紋連接和鉚接。但是在一些特殊要求場合，例如需要保證密封性及需要減輕整體結構重量的場合需要使用膠黏劑對金屬和超高相對分子質量聚乙烯進行連接。

金屬和超高相對分子質量聚乙烯的黏接主要依靠表面黏附，被黏接材料表面處理的質量是影響黏接強度及黏接壽命的重要因素之一。實際應用中，使用同一種膠黏劑或者采用相同膠接接頭形式，但表面處理方法不同，最終得到試件的黏接效果相差很大。常用的表面處理方法有物理方法和化學方法，其中常用的物理方法有砂紙打磨、噴砂、脫脂除油等，除此之外還有等離子處理法、偶聯劑處理法、輻射接枝處理法等［3-7］。

1 實驗部分

1.1 原料和設備

金屬材料為不銹鋼O22Cr17Ni12Mo2，試件形狀與搭接形式見圖1，搭接形式為單搭接。實驗設備為非慣性型的電子式拉力實驗機，實驗時，對試件的搭接面施加縱向的拉伸剪切力，測出試件所受的破壞載荷數值，由此可計算出該試件的拉伸剪切強度。 實驗中的膠黏劑選擇J-19。

圖1 試件的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of samples

1.2 實驗條件

各組試件的實驗環境及存放的時間應當滿足GB/T 6329—1996和GB/T 2918—1998的要求：試件制備完成至實驗開始時最短的存放時間不得低于16.0 h，最長的存放時間不得高于30天；實驗溫度要求在（23±2）℃，實驗相對濕度要求在45%～55%；對于只有溫度要求的實驗，試件在實驗溫度下放置的時間不得少于0.5 h；對于既有濕度又有溫度的實驗，試件在這種環境下放置的時間不得少于16.0 h。

1.3 金屬試件的表面處理

將金屬試件分成5組，其中1組試件表面不進行任何處理，其余4組試件分別采用不同表面處理方法，各組超高相對分子質量聚乙烯試件均采用化學方法進行表面處理。實驗時，分別測試各組試件在標準狀態下的拉伸剪切強度并記錄數據。

對金屬試件采用的表面處理方法分別是：1）簡易清理。使用清水、毛刷等進行表面清理，完成后使用紗布擦凈并烘干。2）除油脫脂。按m（NaOH）∶m（H2O）為1∶12配制NaOH清理溶液，將金屬試件在溶液中浸泡20 min，取出試件后水洗，擦凈并烘干。3）機械打磨。使用100#金剛砂紙對試件打磨，完成后水洗，擦凈并烘干。4）化學處理。對不銹鋼試件表面易形成的氧化成分（FeO，Fe2O3，Fe3O4）進行酸洗去除。處理方法見表1。分兩步進行，處理完成后取出試件水洗，擦凈并烘干。

1.4 超高相對分子質量聚乙烯試件的表面處理

將超高相對分子質量聚乙烯試件分成5組，其中1組試件表面不進行任何處理作為對比組，其余4組分別采用不同的表面處理方法進行處理，金屬試件均采用化學處理方法進行表面處理。實驗時，分別測試各組試件在標準狀態下的拉伸剪切強度并記錄數據。對超高相對分子質量聚乙烯試件采用的表面處理方法分別是：1）簡易清理。表面處理方法與金屬試件表面處理方法相同。2）脫脂處理。將試件浸泡在丙酮溶液中5 min，取出后水洗，擦拭干凈并烘干。3）偶聯劑處理。偶聯劑采用常用的硅烷類偶聯劑乙烯基硅氧烷，并將其配成質量分數2%的乙醇溶液；將配制的溶液涂抹在超高相對分子質量聚乙烯表面，然后放置在70 ℃的條件下干燥45 min。4）化學處理。依據m（K2Cr2O7）∶m（98%H2SO4）∶m（H2O）=1∶11∶8配制重鉻酸處理液，配制完成后將試件在室溫下浸泡在溶液中90 min，取出后水洗，擦拭干凈并烘干。

表1 不銹鋼試件處理方法Tab.1 Treatments of stainless steel samples

2 結果與討論

2.1 金屬試件不同表面處理后的測試

從圖2看出：各組試件中黏接效果最好的是經化學方法處理后得到的試件，拉伸剪切強度最高可達30.7 MPa；黏接效果最差的是不做任何表面處理的試件，拉伸剪切強度僅為7.3 MPa。由上述數據可知，采用化學方法處理得到的試件的拉伸剪切強度是不做表面處理試件的4.2倍，是采用簡易方法表面處理試件的2.8倍。

2.2 超高相對分子質量聚乙烯試件不同表面處理后的測試

圖2 各組金屬試件表面處理后的黏接強度Fig.2 Adhesive strength of each metal specimen after surface treatment

從圖3看出：經化學方法處理后得到試件的抗剪切強度最高，達32.3 MPa，黏接的效果最好，是不做表面處理試件拉伸剪切強度的7.7倍。同時，實驗過程中找到化學方法最佳的處理時間和配比。

2.3 時間對超高相對分子質量聚乙烯試件表面處理效果的影響

圖3 超高相對分子質量聚乙烯試件表面處理后的黏接強度Fig.3 Adhesive strength of each UHMWPE specimens after surface treatment

由以上兩組實驗可知，表面處理后黏接效果最好的方法是化學處理方法，但是不同的時間對處理的效果產生較大的影響。從圖4看出：對超高相對分子質量聚乙烯試件的處理時間并不是越長越好，合適的處理時間可增強黏接的效果，但是超過一定時間，試件的黏接強度會隨之下降。對金屬試件處理的最佳時間一般在45～60 min，而對超高相對分子質量聚乙烯試件最佳的處理時間范圍是90～120 min。分析原因可知，采用化學方法對超高相對分子質量聚乙烯表面進行處理的實質是對其表面氧化，但是過度處理就會使產生的氧化層脫落，影響黏接的效果。

2.4 鉻酸濃度對超高相對分子質量聚乙烯試件表面處理產生的影響

圖4 處理時間對黏接效果的影響Fig.4 Influence of treating time on adhesive effect

從圖5看出：鉻酸處理液濃度同樣影響超高相對分子質量聚乙烯表面處理效果。處理液合適的濃度配比可增強黏接的效果，濃度過高和過低均達不到理想的效果。實驗中，當鉻酸的質量分數達到60%～70%時，處理的效果可達最佳。

圖5 鉻酸處理液濃度對黏接效果的影響Fig.5 Influence of Chromate treatment solution on adhesive effect

3 結論

a）分別經化學方法處理后的金屬試件和超高相對分子量聚乙烯試件形成的黏結試件的拉伸剪切強度為30.7 MPa，是采用簡易方法進行表面處理試件的2.8倍，是不經過表面處理試件的4.2倍。另外一組分別經過化學方法處理后的超高相對分子質量聚乙烯試件與金屬試件形成的黏結試件的拉伸剪切強度同樣得到明顯提高，達到32.3 MPa，比經過偶聯劑處理后試件的拉伸剪切強度略高，是未經過任何表面處理試件拉伸剪切強度的7.7倍。

b）改變化學處理時間和化學處理液的配比會對試件黏接性能產生影響，對超高相對分子質量聚乙烯試件進行化學處理的最佳時間在90～120 min，鉻酸處理液最佳的質量分數是60%～70%。

［1］ 桂祖桐. 聚乙烯樹脂及其應用［M］. 北京：化學工業出版社材料科學與工程出版中心，2002： 1-30.

［2］ 劉廣建. 超高分子量聚乙烯［M］. 北京：化學工業出版社，2001： 1-7.

［3］ 李子東，李廣宇，劉志軍，等. 實用膠粘技術［M］. 北京：國防工業出版社，2007： 351-405.

［4］ 程時遠， 李盛彪， 黃世強. 膠黏劑 ［M］. 北京：化學工業出版社，2008：1-22.

［5］ 張振英，楊淑麗. 塑料、橡膠用膠黏劑［M］. 北京：中國石化出版社，2005： 1-7.

［6］ 李和平. 膠黏劑生產原理和技術［M］. 北京：化學工業出版社，2009： 16-61.

［7］ 張玉龍，李長德，邢德林，等. 金屬用膠黏劑［M］. 北京：中國石化出版社，2004： 1-8.

Effects of surface treatments on bonding properties of ultrahigh molecular weight polyethylene and metal

Wu Suwei

（Hefei General Machinery Research Institute， Hefei 230088， China）

The bonding of metal and ultrahigh molecular weight polyethylene mainly depends on the surface adhesion， therefore， surface treatment plays an important role in affecting the bonding properties. Different methods were used on ultrahigh molecular weight polyethylene and metal to obtain different test samples， among which the best bonding sample was obtained after testing the adhesive strength of each sample. The sample by chemical treatment proves to have the best bonding strength， which is 2.8 times that of the sample whose surface was cleaned simply.

ultrahigh molecular weight；polyethylene；surface treatments； bonding properties

TQ 325.1

B

1002-1396（2016）01-0065-03

2015-08-18；

2015-11-04。

吳蘇煒，男，1989年生，碩士，助理工程師，2011年畢業于北京化工大學，現從事機械設計工作。聯系電話：（0551）65335497，15256916330；E-mail：wu_ suwei@sina.com。