硅橡膠與金屬粘接研究

劉志浩 陳煥霆

摘要：硅橡膠與金屬粘接強(qiáng)度對(duì)硫化電纜硫化成型合格率產(chǎn)生影響，一般，硫化電纜失效發(fā)生位置多為硫化橡膠和電連接器金屬外殼結(jié)合部位。本文硅橡膠與金屬粘進(jìn)行詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：硅橡膠;粘接;硫化

金屬-橡膠硫化粘接已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械工程、建筑、船舶及軍事工業(yè)中履帶式裝甲車輛負(fù)重輪、履帶板著地膠及履帶襯套的粘接等，由于橡膠和金屬是相差極大的異質(zhì)材料，同被粘橡膠的厚度相比，膠粘劑層相對(duì)較薄，大約20微米，是金屬與橡膠間的良好的界面過渡層材料，因此選擇優(yōu)良的膠粘劑對(duì)獲得金屬-橡膠良好的粘接是至關(guān)重要的。本文針對(duì)橡膠與金屬的粘接性能進(jìn)行研究，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

一、硅橡膠粘接體系發(fā)展?fàn)顟B(tài)

橡膠與金屬之間的粘接已有很久的歷史，可以追溯到1850年，目前采用的粘接方法可分為直接粘接法、硬質(zhì)橡膠法、鍍黃銅法和膠粘劑粘接法。

直接粘接法工藝簡單，操作方便，將粘接材料表面進(jìn)行適當(dāng)處理后直接在加熱加壓過程中實(shí)現(xiàn)粘接。可通過在橡膠中加入一些組分、在膠料表面涂偶聯(lián)劑或?qū)?duì)橡膠進(jìn)行環(huán)化處理等來提高橡膠與金屬的粘接性能。

硬質(zhì)橡膠法是最古老的粘接體系，在金屬表面貼一層硫磺含量較高的硬質(zhì)膠料或一層硬質(zhì)膠漿，通過硫化使橡膠與金屬粘接起來，硬質(zhì)橡膠法粘接力較強(qiáng)，工藝簡便，適于粘接大型制件。

膠粘劑法是目前應(yīng)用最廣和最有效的方法，已經(jīng)歷了酚醛樹脂、多異氰酸酯、鹵化橡膠、特種硫化劑的鹵化橡膠、硅橡膠和水基膠粘劑等不同的發(fā)展階段。至今國外已開發(fā)出了多種性能優(yōu)異的膠粘劑，如Chenlok、Tylok、Metalok、Thixon等，特別是Chenlok系列品種繁多，并不斷有新型產(chǎn)品出現(xiàn)，在國內(nèi)有較廣泛的使用。

二、理論分析

目前主要的粘接理論有吸附理論、機(jī)械作用理論、擴(kuò)散滲透理論、靜電理論、電磁理論等。對(duì)于液態(tài)膠及采用單涂型粘接劑的粘接機(jī)理，其中膠粘劑或底圖型膠粘劑與金屬發(fā)生粘接主要是通過膠粘劑浸潤金屬表面后滲入到金屬表面的空隙凹孔內(nèi)，并排除界面上吸附的空氣，同金屬表面充分接觸，然后產(chǎn)生吸附作用和各種嚙合形式的機(jī)械作用以產(chǎn)生足夠的粘接強(qiáng)度，膠粘劑與橡膠之間則通過分子或擴(kuò)鏈段的相互擴(kuò)散、滲透和共同交聯(lián)作用而實(shí)現(xiàn)粘接，同時(shí)膠粘劑與橡膠內(nèi)部也各自發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，從而使橡膠和金屬形成一個(gè)牢固的連接體。

三、橡膠與金屬粘接表面處理方法

由于橡膠的特性，在橡膠與金屬粘接時(shí)，通常都要對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，以獲得更佳的粘接強(qiáng)度，通常采用物理方法和化學(xué)方法。

3.1 表面清洗

清洗金屬或其它基材表面的目的是除去所有的雜質(zhì)，以便作進(jìn)一步處理。重復(fù)使用已經(jīng)用過的噴射凈化材料可能會(huì)使已清潔的表面變臟。機(jī)械處理的第一階段是在阻燃溶劑的蒸汽中脫脂。脫脂后的零件置于鐵絲網(wǎng)里，再放進(jìn)蒸汽槽中。經(jīng)過這種處理，金屬零件上不可能再有油脂積垢，因?yàn)榕c金屬接觸的只有清潔新鮮溶劑或其蒸汽。

3.2用水溶性清潔劑清洗

在溶劑槽中脫脂對(duì)裝備的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，引起了不少爭議。在水介質(zhì)中清洗金屬則是可能代替在溶劑蒸汽中脫脂的方法。應(yīng)用三組清潔劑：（1） 酸性的（PH3.5～5. 5）;（2） 中性的（PH7.5～8）;（3） 堿性的（PH>8）。

3.3 機(jī)械方法處理

用機(jī)械方法處理金屬表面包括噴砂清洗、打毛、用刷子清潔，這些過程的目的是除去銹蝕和熔渣，并得到無氧化層的表面。

針對(duì)電纜組裝件中連接器金屬外殼，通常采用噴砂的方式進(jìn)行處理，在噴砂清潔時(shí)選擇二氧化硅顆粒，粒子尺寸應(yīng)為0.5mm～0.8mm ，噴砂時(shí)沙粒將金屬表面層的氧化膜除去，但是此種方法會(huì)破壞金屬原有的表面鍍層，噴砂后零件表面缺乏保護(hù)層，在空氣中長期存放時(shí)又會(huì)產(chǎn)生二次氧化，所以噴砂處理后需要立即清洗并涂覆粘接劑，及時(shí)使用。

3.4化學(xué)處理法

金屬材料長期放置在空氣中后，金屬會(huì)與空氣中的氧氣反應(yīng)形成一致密層的金屬氧化物，這些氧化物會(huì)阻礙粘接劑和金屬的結(jié)合，降低橡膠與金屬的粘接性能，所以通常選用化學(xué)方法除去金屬表面的氧化物，常用的方法有酸洗、堿洗、磷化處理等。

四、橡膠與金屬粘接失效原因分析

4.1 金屬與橡膠粘接失效類型

根據(jù)橡膠和金屬的粘接原理，橡膠與金屬硫化粘接常見的失效類型主要有以下三類：（1）底涂型膠粘劑與金屬間破壞;（2）橡膠與面涂型膠粘劑之間破壞;（3）膠粘劑內(nèi)部破壞。

4.2 金屬與橡膠粘接失效原因

4.2.1底涂型膠粘劑與金屬間破壞

第一、金屬表面處理不當(dāng)：a、金屬表面處理程度不夠：金屬表面處理的要作用是除掉金屬表面的銹蝕層和油脂、污物等，獲得清潔、干燥并具有足夠粗糙度的活性表面，以利于膠粘劑的浸潤和吸附。b、金屬表面不清潔：金屬表面清洗不凈或清洗后再次被污染而導(dǎo)致表面有油漬、雜質(zhì)、殘留清洗劑等，則實(shí)際上相當(dāng)于在金屬表面產(chǎn)生一界面層。

第二、膠粘劑選擇不當(dāng)：a、膠粘劑或底涂膠粘劑粘度過大，不能有效浸潤金屬表面或者在金屬與膠粘劑界面產(chǎn)生氣泡并在氣泡周圍發(fā)生應(yīng)力集中。b、膠粘劑雖能夠有效浸潤金屬表面，但固化后與金屬作用力太低。

4.2.2 橡膠與面涂型膠粘劑之間破壞

在硫化粘接過程中，橡膠分子和膠粘劑分子首先發(fā)生兩相分子間互相滲透和擴(kuò)散的物理反應(yīng)，然后兩相分子間、各相內(nèi)部分子間發(fā)生交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)，從而使兩相結(jié)合為牢固的一體。

第一、橡膠膠料不合適：如果膠料中的配合劑噴霜或抽出而遷移到膠

第二、膠粘劑因素：a、膠粘劑與被粘橡膠不匹配，b、膠粘劑攪拌不均勻、涂刷完畢后晾置時(shí)間不夠或者涂膠面被污染。

4.2.3 橡膠內(nèi)部破壞

就粘接破壞形式而言，一般橡膠與金屬粘接體系所要求的理想破壞形式是100%橡膠本體破壞，此時(shí)的粘接強(qiáng)度主要取決于硫化膠的物理機(jī)械性能。假如此時(shí)的粘接強(qiáng)度仍未達(dá)到粘接要求，則可能是膠料本身的強(qiáng)度太低，或者是膠粘劑在向橡膠相發(fā)生擴(kuò)散、遷移并發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)時(shí)對(duì)界面處橡膠改性，降低該處橡膠的強(qiáng)度。

五、橡膠與金屬粘接失效解決方法

5.1底涂型膠粘劑與金屬間解決方法

針對(duì)金屬表面處理不當(dāng)：由于金屬表面處理程度不夠和表面不清潔，會(huì)造成粘接失效，因此，在刷涂底涂前，先進(jìn)行表面處理工序，通常為1）表面清洗，將金屬放入蒸汽中脫脂處理;2）用水溶性清潔劑清洗，使用酸性、中性或堿性清洗劑對(duì)金屬表面進(jìn)行清洗;3）機(jī)械方法處理，采用噴砂清洗、打毛、用刷子清潔，對(duì)粘接表面進(jìn)行清洗;4）化學(xué)處理法，使用酸洗、堿洗、磷化處理的方法，處理掉粘接表面的氧化層。

5.2 橡膠與面涂型膠粘劑之間破壞解決方法

針對(duì)橡膠膠料不合適：需要選著合適的膠料，避免選著膠料中含有會(huì)發(fā)生噴霜或抽出配合劑的膠料，如果膠料中必須含有此類成分，可在混煉硅膠過程添加聚合物防止硫化電纜出現(xiàn)噴霜或抽出現(xiàn)象。

針對(duì)膠粘劑因素：前期要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選擇匹配的粘接劑，對(duì)于雙組份的膠粘劑，需要將A、B劑充分?jǐn)嚢杈鶆颍⑼亢蟀凑照f明書涼置或者烘培。

5.3橡膠內(nèi)部破壞解決方法

此類失效為硫化膠的物理機(jī)械性能失效。膠粘劑在向橡膠相發(fā)生擴(kuò)散、遷移并發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)時(shí)對(duì)界面處橡膠改性，降低該處橡膠的強(qiáng)度，可以采用增加穩(wěn)定劑來防止粘接劑擴(kuò)散、遷移對(duì)橡膠成分進(jìn)行影響，降低橡膠的強(qiáng)度。

六、結(jié)束語

隨著社會(huì)的發(fā)展、工業(yè)的進(jìn)步，橡膠與金屬粘接在汽車、航天、船舶、建筑等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)粘接性能和粘接工藝的要求也越來越高，影響橡膠與金屬的粘接強(qiáng)度因素比較多，本文從粘接原理、失效原因等方面進(jìn)行分析研究，解決了橡膠在粘接中失效問題，為后續(xù)橡膠粘接提供可靠保障。

參考文獻(xiàn)

[1]張建慶.一種室溫固化的金屬與橡膠粘合劑的研究[J].化學(xué)世界，1998.

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