橡膠與基材熱硫化粘接系統(tǒng)的評價

邰 亮，朱鵬剛，劉志坡

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

橡膠與基材熱硫化粘接系統(tǒng)的評價

邰 亮，朱鵬剛，劉志坡

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

對一個粘接系統(tǒng)錯誤評價的案例進(jìn)行了分析，厘清了“粘接系統(tǒng)強度”以及“粘接系統(tǒng)破壞模式”等概念及意義，并提出了相應(yīng)的可接受水平，做出了對粘接系統(tǒng)錯誤評價的說明，最后總結(jié)提出一種合理、可靠、科學(xué)的評價方法。

橡膠；基材；熱硫化粘接；破壞試驗；粘接系統(tǒng)；評價

0 前 言

橡膠制品往往不是單純的橡膠材料,特別是橡膠減振制品,往往要求橡膠與其他基材粘接在一起才能發(fā)揮作用。因此,橡膠與基材熱硫化粘接系統(tǒng)的優(yōu)劣是每個技術(shù)人員所關(guān)心的問題。為了評價這個系統(tǒng)的好壞,我們要通過各種測試手段來進(jìn)行表征。一般采用非破壞性檢測和破壞性檢測。非破壞性檢測通常有應(yīng)力應(yīng)變法、超聲波法、X射線法及熱紅外成像法等,它主要反映的是粘接系統(tǒng)的缺陷信息,如氣孔、雜質(zhì)、裂紋等問題,但無法反映粘接系統(tǒng)的強度等信息；破壞性檢測通常有平板法、剪切法、90°（或45°、180°）剝離法等,它反映了粘接系統(tǒng)的強度、變形和破壞模式等信息,是評價粘接系統(tǒng)性能的主要手段,最常見的兩個檢測方法是GB/T 11211—2009 《硫化橡膠或熱塑性橡膠與金屬粘合強度的測定 二板法》（以下簡稱“二板法”）和GB/T 7760—2003《硫化橡膠或熱塑性橡膠與硬質(zhì)板材粘合的測定 90°剝離法》（以下簡稱“90°剝離法”）。

本文將利用已公開的一些試驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)論進(jìn)行分析討論,試圖尋找出一種合理、可靠、科學(xué)的評價方法。

1 評價粘接系統(tǒng)的案例

在許多已有的文獻(xiàn)中我們常常會看到和下面案例相同或是類似的試驗結(jié)果以及評判過程∶使用同一配方膠料、工藝過程和條件以及試驗方法（二板法）,通過試驗結(jié)果（表1）對選擇的膠粘劑進(jìn)行評價。

通過表1所示的試驗結(jié)果,人們往往得出如下結(jié)論∶

（1）膠粘劑B、C的破壞模式都是100%橡膠-橡膠破壞,好于膠粘劑A的破壞模式,因此,膠粘劑B、C優(yōu)于膠粘劑A；

（2）從粘接強度看,膠粘劑B的粘接強度要高于膠粘劑C的粘接強度,因此,膠粘劑B優(yōu)于膠粘劑C。

由此,人們很自然得出一個結(jié)論∶從A、B、C三種膠粘劑的試驗結(jié)果可以認(rèn)為膠粘劑B要優(yōu)于膠粘劑A和C。

表1 膠粘劑選擇的試驗結(jié)果表

2 粘接系統(tǒng)評價的“兩個要素”

對于上述的結(jié)論正確與否,筆者認(rèn)為尚有探討的余地,現(xiàn)做如下分析。

典型的熱硫化粘接模型如圖1所示。眾所周知,這個粘接系統(tǒng)是由金屬、底涂膠粘劑、面涂膠粘劑以及彈性體等四種材料組成的,并形成三個界面。從圖1右側(cè)的四種材料的“材料模量逐漸增加”趨勢圖可以看出,在這些模量里,金屬的模量最大,膠粘劑的模量次之,彈性體（本文專指橡膠）的模量最低。假設(shè)這個粘接系統(tǒng)是良好的,如果進(jìn)行破壞試驗,那么破壞只能在彈性體位置發(fā)生。當(dāng)發(fā)生破壞時,除了可以反映彈性體本身的一些信息外,我們是無法知道其他部分（材料）的完整信息的。因此,對于破壞性試驗,只能反映粘接系統(tǒng)的強度性能（最薄弱環(huán)節(jié)）、破壞模式和變形,而不是粘接系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)實際性能的完整信息（如膠粘劑的強度信息、附著力信息等）。

從粘接模型來看,存在著四個內(nèi)聚力、三個粘附力（三個界面的力）,粘接系統(tǒng)可能出現(xiàn)的基本破壞模式可能有∶“金屬與膠粘劑界面破壞”、“膠粘劑與膠粘劑界面破壞”、“膠粘劑與橡膠界面破壞”、 兩種“膠粘劑本體破壞”及“橡膠本體破壞”等單一破壞模式。當(dāng)然兩種或兩種以上的單一破壞模式也是有可能出現(xiàn)的,其中單一失效模式是較為常見的,而混合失效模式則說明其工藝過程不足以滿足系統(tǒng)要求。

圖1 典型的熱硫化粘接模型示意圖

在一個粘接系統(tǒng)中哪一個力或哪一個界面是最薄弱的環(huán)節(jié),是我們特別關(guān)心的問題。在實際工作中兩個關(guān)鍵問題常常困擾著技術(shù)人員∶（1）一個粘接系統(tǒng)的強度多大是合適的；（2）什么樣的粘接破壞模式是被允許的。

評估粘接系統(tǒng)的強度性能,可以使用表2 的數(shù)據(jù)；評估粘接系統(tǒng)的破壞模式,可以使用表3的數(shù)據(jù)。

表2 粘接系統(tǒng)強度性能接受水平

良好的粘接強度依賴于具有良好拉伸強度的橡膠,但是在產(chǎn)品設(shè)計時,依靠優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、減少局部應(yīng)力等方法,使得一個較小的粘接強度即可滿足要求,此時較低的拉伸強度也是可以被接受的。從過去的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),可接受的粘接水平尚未被精確定義,甚至是模糊的。然而,“破壞應(yīng)該發(fā)生在橡膠的本體,而不是在粘接的界面”這一規(guī)則在行業(yè)內(nèi)是普遍認(rèn)可的,這與粘接模型中各個材料模量的變化趨勢是一致的。

對于標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備,其制備過程控制嚴(yán)于日常的生產(chǎn)過程,似乎上述“規(guī)則”是可行的。但是在實際的生產(chǎn)中卻往往不盡如人意,特別是在批量化的生產(chǎn)中。筆者參考特瑞堡、哈金森等國外橡膠制品公司的控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合多年的生產(chǎn)經(jīng)驗,認(rèn)為可以使用表3的數(shù)據(jù)對粘接系統(tǒng)破壞模式的接受水平進(jìn)行評估。

表3 粘接系統(tǒng)破壞模式接受水平

應(yīng)當(dāng)指出的是∶

（1）在實際工作中,表2、表3“接受水平”的選擇,不是為了偶爾獲得優(yōu)異的測試試驗值,而是為了維護(hù)在生產(chǎn)過程中能得到的最經(jīng)濟的生產(chǎn)水平。這是使用表2、表3的一個基本出發(fā)點。

（2）在使用表2時應(yīng)當(dāng)注意,這些數(shù)據(jù)會與橡膠配方、膠粘劑類型、工藝過程以及試驗方法等諸多方面有密切的關(guān)系,選取何種接受水平的數(shù)據(jù)不是機械的、盲目的。橡膠本體強度高的,接受水平就可以選擇“良好的”,甚至是“優(yōu)異的”；反之則可以選擇“可接受的”；選擇“不足的”則應(yīng)當(dāng)十分謹(jǐn)慎。

（3）表3的數(shù)據(jù)可被用于評價具體產(chǎn)品粘接系統(tǒng)破壞模式的優(yōu)劣。作為以評價、工藝選擇等為目的而進(jìn)行的測試試驗,其接受水平應(yīng)當(dāng)是“優(yōu)異的”；而作為以例行的日?？刂茩z測為目的而進(jìn)行的測試試驗,其接受水平至少應(yīng)是“良好的”；而作為產(chǎn)品破壞模式的評價,則不能低于“可接受的”。

（4）膠粘劑本體的破壞、純粹粘接界面的破壞或伴有粘接界面破壞的混合破壞都表明其制備工藝過程是有問題的（如表面處理不良等）,即使達(dá)到了“可接受水平”,能夠獲得產(chǎn)品或質(zhì)量的認(rèn)可,仍是有待優(yōu)化改進(jìn)的。

3 對粘接系統(tǒng)評價誤區(qū)的說明

根據(jù)上述分析,我們對前述案例評價誤區(qū)做出如下說明∶

（1）前述案例推導(dǎo)違反了“破壞應(yīng)該發(fā)生在橡膠的本體,而不是在粘接的界面”這一規(guī)則。使用一個不穩(wěn)定過程測出的試驗結(jié)果,其置信度是難以被接受的。這一試驗結(jié)果只能說明膠粘劑A的標(biāo)準(zhǔn)試樣制備過程,其工藝控制是有問題的,或是有待改進(jìn)的。

（2）前述案例推導(dǎo)混淆了概念。粘接強度反映的是粘接系統(tǒng)的強度性能,而無法反映膠粘劑的粘接強度。100%橡膠基材破壞,只能說明橡膠基材在整個粘接系統(tǒng)中是最薄弱的環(huán)節(jié),使用系統(tǒng)的強度去表征局部的強度是邏輯上的錯誤。

因此,正確的結(jié)論至少應(yīng)該是∶

膠粘劑A的標(biāo)準(zhǔn)試樣制備過程,其工藝是有問題的,無法作出是否滿足粘接要求的判定；在現(xiàn)有工藝條件下,膠粘劑B、C均能滿足粘接的需求。

然而類似于案例中的結(jié)論在實際工作中常有發(fā)生,有的試驗過程甚至不考慮破壞模式,僅以破壞強度進(jìn)行評價,這種現(xiàn)象在早期的學(xué)術(shù)文章中十分常見,因此就會出現(xiàn)在A文章中得出“磷化后粘接”優(yōu)于“拋丸后粘接”的結(jié)論,而在B文章中又得出“拋丸后粘接”優(yōu)于“磷化后粘接”的結(jié)論。這種前后矛盾讓讀者一頭霧水。

4 結(jié) 論

（1）使用破壞試驗結(jié)果評價一個粘接系統(tǒng)時,它反映的是系統(tǒng)的強度（或者說是系統(tǒng)內(nèi)最弱的子系統(tǒng)的強度）、變形和破壞的模式等信息,而無法全面、真實地反映系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的信息,因此使用其對子系統(tǒng)進(jìn)行評價是不合適的。

（2）應(yīng)該同時使用粘接系統(tǒng)強度性能接受水平和粘接系統(tǒng)破壞模式接受水平的數(shù)據(jù)準(zhǔn)則,而不是單獨使用其中之一。這與破壞試驗標(biāo)準(zhǔn)方法（國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)）的宗旨是一致的。

（3）使用粘接系統(tǒng)強度性能接受水平和粘接系統(tǒng)破壞模式接受水平對破壞試驗的結(jié)果進(jìn)行評價是一種更合理、可靠、科學(xué)的方法。

Discussion on the Evaluation System for Rubber to Substrate Vulcanizing Bonding

Tai Liang, Zhu Penggang, Liu Zhipo
(Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266031, China)

In this paper, a case of bonding system evaluated falsely was analyzed, the concept and signif cance of "the strength of bonding system" and "the failure mode of bonding system" was clarif ed, and the acceptable level was proposed respectively. The description of the bonding system inaccurate evaluation was introduced. At last,a reasonable, reliable and scientific evaluation method was put forward.

Rubber; Substrate; Vulcanizing Bonding; Destructive Testing; Adhesive System; Evaluation

TQ 336

B

1671-8232(2015) 09-0043-04

[責(zé)任編輯：朱 胤]

2015-06-09

邰亮（1981—）,男,山東日照人,碩士,工程師,畢業(yè)于青島科技大學(xué),目前就職于中國中車青島四方車輛研究所有限公司。