膠粘劑涂層厚度對(duì)金屬和橡膠黏結(jié)強(qiáng)度的影響分析

包英俊 陳衛(wèi)華

摘 要 換能器器件中起支撐、密封保護(hù)作用的金屬與非金屬之間基本上是通過(guò)膠粘劑進(jìn)行連接的，因此換能器器件膠粘劑的涂覆顯得尤為重要。涂覆質(zhì)量直接影響器件間的粘接強(qiáng)度，進(jìn)而影響換能器的最終性能以及使用壽命。本文主要就金屬膠粘劑不同的涂覆厚度，對(duì)金屬材料和橡膠材料粘接強(qiáng)度的影響進(jìn)行了敘述和研究。

關(guān)鍵詞 黏結(jié)劑涂覆厚度;金屬膠粘劑;黏結(jié)強(qiáng)度

前言

換能器器件中起支撐、密封保護(hù)作用的金屬與非金屬之間基本上是通過(guò)膠粘劑進(jìn)行連接的，即使有些換能器設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有預(yù)應(yīng)力螺桿或是預(yù)應(yīng)力鋼絲等，但在器件的接合面處還是要通過(guò)膠層進(jìn)行過(guò)渡，因此換能器器件涂覆工序顯得尤為重要。涂覆質(zhì)量直接影響器件間的粘接強(qiáng)度，進(jìn)而影響換能器的最終性能以及使用壽命。

金屬膠粘劑已廣泛應(yīng)用于換能器生產(chǎn)裝配中，其主要作用于金屬材料和橡膠材料之間的粘接。在換能器的生產(chǎn)過(guò)程中，金屬黏結(jié)劑的粘接效果直接影響換能器的質(zhì)量;而金屬膠粘劑的粘接效果，取決于黏結(jié)劑的涂覆厚度，黏結(jié)劑的配比以及金屬表面的處理等相關(guān)因素[1]。研究發(fā)現(xiàn)，黏結(jié)劑的涂覆厚度是影響換能器粘接效果的主要因素，因此黏結(jié)劑的涂覆厚度直接決定了換能器的質(zhì)量和性能。本文主要就金屬膠粘劑的涂覆厚度，對(duì)金屬材料和橡膠材料粘接強(qiáng)度的影響進(jìn)行了敘述和研究。

1關(guān)于試驗(yàn)內(nèi)容以及基本方法

1.1 關(guān)于試樣的制備

本文主要選用金屬膠粘劑進(jìn)行金屬試片與橡膠的黏合，通過(guò)在金屬試片的表面涂覆不同厚度的金屬膠粘劑，再分別進(jìn)行硫化，最后依據(jù)國(guó)家基本方法進(jìn)行拉伸試樣，使得試樣在室溫條件下能夠持續(xù)幾天，以此為基礎(chǔ)做好試樣制備工作。

1.2 關(guān)于金屬表面的處理

本文使用的試片均采用汽油除油污以及噴砂粗化處理，噴砂是利用一些非?？焖俣鹊纳傲?，可以去除工件表面的一些銹蝕以及一些其他的污物，通過(guò)沙粒的撞擊、切削作用使金屬表面粗化、凈化[2]。處理完成的試片，利用自動(dòng)涂覆機(jī)進(jìn)行金屬膠粘劑涂覆，涂覆厚度（濕膜厚度）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，分為多個(gè)批次。噴砂處理完的試片需在8小時(shí)內(nèi)完成金屬膠粘劑的涂覆，涂覆完成后，將試片暫時(shí)存放于電子干燥柜，防止試片表面被污染，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，涂層在固化和冷卻過(guò)程中會(huì)有一定量的收縮，從而可能引起基材邊緣位置涂層的脫落。因此，在噴涂前對(duì)金屬表面進(jìn)行一定的修整，可保證涂層脆弱帶不至于因收縮而脫落。

1.3 關(guān)于基本試驗(yàn)方法的研究

對(duì)于試片表面的膠層厚度，測(cè)量生產(chǎn)中工件的涂層厚度，約在70μm—175μm之間;故用自動(dòng)涂覆機(jī)涂覆，保證厚度分別為75μm、100μm、125μm、150μm和175μm。對(duì)于試樣的剝離強(qiáng)度，統(tǒng)一采用TC4金屬試片（規(guī)格：長(zhǎng)200mm，寬25mm，厚1.5mm）和橡膠硫化粘接，通過(guò)拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸，以測(cè)量其剝離強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)采用單因素對(duì)比法，除TC4表面的金屬膠粘劑厚度不同，其他的試驗(yàn)操作仍嚴(yán)格按照現(xiàn)有的工藝要求進(jìn)行。具體試驗(yàn)流程如圖1所示：

試驗(yàn)通過(guò)噴砂化處理進(jìn)行TC4試片表面預(yù)處理。處理完成后，參照標(biāo)準(zhǔn)GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》[3]，進(jìn)行處理后清潔程度的初步判斷。

TC4試片預(yù)處理完成后用干凈的酒精綢布反復(fù)擦洗，洗凈后自然晾干;隨后在自動(dòng)涂覆機(jī)內(nèi)按工藝要求均勻涂覆金屬膠粘劑、晾干;根據(jù)不同的涂覆厚度，將試片分為A、B、C、D、E五組。A組對(duì)應(yīng)75μm的試片，B組對(duì)應(yīng)100μm的試片，C組對(duì)應(yīng)125μm的試片，D組對(duì)應(yīng)150μm的試片，E組對(duì)應(yīng)175μm的試片。

試片涂覆完成后，煉制硫化橡膠，并在試片的模具內(nèi)部進(jìn)行填膠，將模具水平放入硫化機(jī)，以140℃的溫度和6MPa的壓力硫化35分鐘，取出硫化試片待用。將試片在常溫環(huán)境中放置24小時(shí)，試片如圖2所示。

根據(jù)GB/T 15254-2014《硫化橡膠與金屬粘接180°剝離試驗(yàn)》，測(cè)量各試片的剝離強(qiáng)度。

2關(guān)于一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究

2.1 硫化橡膠與TC4試片粘接180°剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

試片完成后，在常溫下存放24小時(shí)，根據(jù)不同的膠層厚度分為A、B、C、D、E五個(gè)試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組制作5片試樣，逐一對(duì)試樣進(jìn)行180°剝離試驗(yàn)。據(jù)實(shí)記錄每一片試樣的最大剝離強(qiáng)度、最小剝離強(qiáng)度和平均剝離強(qiáng)度。

考慮到單片試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限性，為減少試驗(yàn)誤差，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，算出全組5片試樣的最大剝離強(qiáng)度、最小剝離強(qiáng)度和平均剝離強(qiáng)度，并以每組全部試樣的平均剝離強(qiáng)度作為五個(gè)試驗(yàn)組的對(duì)比數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如下：

2.2 金屬膠層厚度對(duì)于粘接強(qiáng)度的影響

整理A、B、C、D、E五組180°剝離試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，分別算出每組全部試樣的平均剝離強(qiáng)度，以該數(shù)據(jù)作為各組剝離強(qiáng)度的真實(shí)值。通過(guò)對(duì)比各組平均剝離強(qiáng)度，闡明金屬膠粘劑膠層厚度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，具體關(guān)系如下圖所示：

觀察上圖可知，金屬膠粘劑膠層厚度（濕膜）在100μm的時(shí)候，TC4與硫化橡膠的粘接強(qiáng)度最高，可達(dá)到14.28KN/m， 在膠層厚度為175μm的時(shí)候，粘接強(qiáng)度最低，只有10.92KN/m。理論上，在金屬膠粘劑均勻且不漏涂的情況下，膠層厚度越薄，粘接強(qiáng)度越強(qiáng)。但通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，膠層厚度在75μm的時(shí)候，粘接強(qiáng)度只有12.4KN/m，反而不如膠層厚度為100μm試樣的粘接強(qiáng)度。究其原因，金屬試片表面并非絕對(duì)的平整，膠粘劑的涂覆也做不到絕對(duì)的均勻，膠粘劑涂覆過(guò)薄，會(huì)導(dǎo)致金屬表面部分區(qū)域膠粘劑不夠，影響整體的粘接強(qiáng)度。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上文的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，金屬膠粘劑理論的最佳值，可以作為換能器生產(chǎn)裝配的參考，但不能作為換能器生產(chǎn)的全部依據(jù);金屬試片的尺寸誤差、金屬表面的處理、硫化橡膠的均勻性等因素均會(huì)使得實(shí)際參數(shù)偏離理論值。經(jīng)過(guò)本次的分組試驗(yàn)，將以前未明確的工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了量化，為后續(xù)換能器的生產(chǎn)裝配提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

故在換能器實(shí)際生產(chǎn)裝配中，金屬膠粘劑的涂覆厚度宜控制在100μm左右，在提升換能器粘接強(qiáng)度的同時(shí)，也進(jìn)一步保障了換能器的壽命和性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁晨，梁繼才，尹艷寧，等.增強(qiáng)橡膠與金屬材料粘接的表面技術(shù)[J].合成橡膠工業(yè)，2013（5）：405-410.

[2] 黃良平，唐先賀，譚亮紅.金屬表面處理工藝對(duì)橡膠與金屬黏合性能的影響[J].中國(guó)表面工程，2017（1）：36-39.

[3] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)：GB8923-88 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，1988.