鉻酸處理的超高分子量聚乙烯板材粘結(jié)性研究

齊宏崗，王躍平

(1.山東科力新材料有限公司，山東 淄博 255000；2. 中石化齊魯分公司塑料廠，山東 淄博 255000)

0　前言

UHMWPE(超高分子量聚乙烯)板材具有高耐磨性、高抗沖擊性、自潤(rùn)滑性等優(yōu)良特性，工業(yè)上大量用于各種磨料輸送、存儲(chǔ)設(shè)備的襯板。目前板材的連接方法為螺栓固定法，操作復(fù)雜、耐用性及密封性差，因此，急需一種方便、快捷的板材粘結(jié)方法。由于UHMWPE具有表面惰性，其表面粘附性極差[1]，粘接前必須進(jìn)行表面處理。目前的研究主要針對(duì)UHMWPE纖維的表面處理，還沒(méi)有關(guān)于板材表面處理的方法，纖維的最佳表面處理方法為化學(xué)處理法中的鉻酸刻蝕法[2]。本文參照纖維的表面處理方法，對(duì)UHMWPE板材進(jìn)行表面處理[3]，再進(jìn)行涂膠粘結(jié)，測(cè)試粘結(jié)強(qiáng)度，最終確定UHMWPE板材的表面處理及粘結(jié)的最佳條件。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

UHMWPE板材：牌號(hào)GUR4012，自行擠出板材，塞拉尼斯(中國(guó))投資有限公司；

重鉻酸鉀：化學(xué)純，天津市化學(xué)試劑三廠；

濃硫酸：化學(xué)純，萊陽(yáng)市東方化工有限公司；

無(wú)水乙醇：分析純，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠；

透明聚烯烴膠：上?？颠_(dá)化工新材料股份有限公司。

1.2　儀器和設(shè)備

單螺桿擠出機(jī)：SJ-45B型，山東恒潤(rùn)邦和機(jī)械制造有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴箱：HH-S4型，常州普天儀器制造有限公司；

微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)：WDL-30型，濟(jì)南新試金試驗(yàn)機(jī)有限公司；

紅外光譜儀：MAX型，德國(guó)斯派克分析儀器公司；

掃描電子顯微鏡：Quanta 250型，美國(guó)菲達(dá)康有限責(zé)任公司。

1.3　溶液配制、板材表面處理和板材粘結(jié)

按重鉻酸鉀︰濃硫酸︰蒸餾水=5︰60︰3的比例，配置鉻酸溶液。

(1)刻蝕溫度對(duì)UHMWPE板材表面處理的影響。將UHMWPE樣板置于鉻酸溶液中，分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃下進(jìn)行刻蝕處理，0.5 h后取出，先用蒸餾水清洗，然后用無(wú)水乙醇清洗，再進(jìn)行烘干，待冷卻至室溫后，進(jìn)行涂膠粘結(jié)處理。

(2)刻蝕時(shí)間對(duì)UHMWPE板材表面處理的影響。將UHMWPE樣板置于鉻酸溶液中，在一定溫度下分別刻蝕10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、1 h、2 h，取出后先用蒸餾水清洗，然后用無(wú)水乙醇清洗，再進(jìn)行烘干，待冷卻至室溫后，進(jìn)行涂膠粘結(jié)處理。

(3)粘結(jié)時(shí)間對(duì)UHMWPE板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響。將粘結(jié)處理的樣板分別放置2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d之后，用電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試粘結(jié)強(qiáng)度，并與未進(jìn)行表面處理的樣板進(jìn)行對(duì)比。

1.4　測(cè)試與分析

IR(斯派克臺(tái)式直讀紅外光譜儀，MAX)分析未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)鉻酸處理的UHMWPE板材的活性基團(tuán)。SEM(掃描電子顯微鏡，Quanta 250型)對(duì)刻蝕前后的UHMWPE板材表面進(jìn)行觀察。微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)(WDL-30型，濟(jì)南新試金試驗(yàn)機(jī)有限公司)測(cè)試板材的粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)方法按照GB/T 8804.3—2003進(jìn)行。

2　結(jié)果與討論

2.1　刻蝕溫度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

鉻酸刻蝕溫度對(duì)UHMWPE板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響曲線見(jiàn)圖1。

圖1　鉻酸刻蝕溫度對(duì)板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖1曲線趨勢(shì)可知，當(dāng)溶液溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨著刻蝕溫度的進(jìn)一步增大，材料的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸平緩，并有下降趨勢(shì)。因此，最佳刻蝕溫度為80 ℃。究其原因，主要是80 ℃時(shí)，引入的官能團(tuán)較多，對(duì)材料表面改性較好。

2.2　刻蝕時(shí)間對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

鉻酸刻蝕時(shí)間對(duì)UHMWPE板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響曲線見(jiàn)圖2。

圖2　鉻酸刻蝕時(shí)間對(duì)板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖2曲線趨勢(shì)可知，當(dāng)刻蝕時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨著刻蝕時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，材料的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸平緩。因此，最佳刻蝕時(shí)間為20 min。

2.3　粘結(jié)時(shí)間對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

粘接時(shí)間對(duì)UHMWPE板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響曲線見(jiàn)圖3。

由圖3曲線趨勢(shì)可知，UHMWPE板材的粘結(jié)強(qiáng)度隨著粘結(jié)時(shí)間的增加而提高，當(dāng)粘結(jié)時(shí)間達(dá)到6 d時(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨著粘結(jié)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，板材的粘結(jié)強(qiáng)度穩(wěn)定下來(lái)。因此，最佳粘結(jié)時(shí)間為6 d。究其原因，主要與粘結(jié)劑的固化時(shí)間有關(guān)。

圖3　粘結(jié)時(shí)間對(duì)板材粘結(jié)強(qiáng)度的影響

2.4　紅外光譜(IR)分析

未處理UHMWPE板材的紅外光譜圖見(jiàn)圖4，80 ℃鉻酸刻蝕20 min紅外光譜圖見(jiàn)圖5。

圖4　未處理板材紅外光譜圖

圖5　80 ℃時(shí)鉻酸刻蝕20 min紅外光譜圖

2.5　掃描電子顯微鏡(SEM)分析

由圖6可知，未處理板材表面光滑平整，無(wú)任何突起和凹痕，較為穩(wěn)定。

圖6　未處理板材表面電鏡掃描

由圖7可知， 80 ℃時(shí)鉻酸刻蝕20 min樣品表面有明顯而且均勻的刻蝕痕跡，刻蝕情況較為完全，樣品表面整體刻蝕情況較為完整，刻蝕效果較優(yōu)。

3　結(jié)論

(1)在80 ℃鉻酸溶液中刻蝕20 min后，板材表面的處理效果最明顯；

(2)板材的最佳粘結(jié)時(shí)間為6 d，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最高值；

圖7　80 ℃時(shí)鉻酸刻蝕20 min電鏡掃描

(3)以上只是在實(shí)驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)，具體的工業(yè)應(yīng)用條件還需要依據(jù)具體工況進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。