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(jì)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(guó)人民解放軍92337部隊(duì)，遼寧 沈陽 110001)

0 引言

在水密傳感器的設(shè)計(jì)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?yàn)榇颂幫菑?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(shí)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(shí)使其粘合的方法)2種。除特殊用途外，一般多數(shù)場(chǎng)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(shí)還原生成(RCOO)2Fe這種二價(jià)化合物而產(chǎn)生粘合。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，實(shí)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(jià)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(shí)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(diǎn)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(duì)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(gè)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(hào)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(píng)價(jià)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(chǎng)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(duì)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］?；陔娎|護(hù)套材料和氯丁橡膠的上述優(yōu)點(diǎn)，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(shí)間是構(gòu)成硫化工藝條件的主要因素，這些因素對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)引起硫化時(shí)間不必要的延長(zhǎng)［5］。然而，橡膠是熱的不良導(dǎo)體，特別是對(duì)于厚橡膠制品，采用高溫硫化很難使內(nèi)外層膠料同時(shí)達(dá)到硫化曲線的平坦區(qū)間。另外，對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?，?duì)保障產(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(yàn)，模壓壓力約為3 MPa。

通常橡膠制品的硫化時(shí)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(shí)間t1確定成品硫化時(shí)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(shí)間

2.2 金屬表面處理

一般來講，對(duì)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?。?duì)于圖1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(guó)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(yàn)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(diǎn)，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(shí)無撕裂，無缺膠、爛泡、明疤等現(xiàn)象，效果較理想。

3.2 試驗(yàn)研究

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

為檢驗(yàn)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(yàn)，原理圖如圖3所示。將裝配后的水密傳感器放入壓力試驗(yàn)桶內(nèi)，并用填料、壓蓋將水密電纜和試驗(yàn)桶出口壓緊。通過測(cè)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(yàn)和交變壓力水密試驗(yàn)。恒壓水密試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)桶內(nèi)的壓力至常壓。此過程為1次交變壓力試驗(yàn)，共進(jìn)行100次。結(jié)果顯示，在恒壓水密試驗(yàn)和交變壓力水密試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)。在填充橡膠與電纜連接端部交替方向折彎90°，朝一個(gè)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(yàn)，以檢驗(yàn)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(yàn)。

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(jì)的重點(diǎn)。通過對(duì)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(yàn)、交變壓力水密試驗(yàn)和折彎試驗(yàn)，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(guó)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(guó)文.橡膠硫化［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.25－26.