單涂型膠粘劑在橡膠支座中的應(yīng)用研究

張保生，王郡余，楊 坤，李 斌，唐軍輝，呂秀鳳

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橡膠支座是由多層橡膠與金屬復(fù)合而成的一類減隔震制品，一方面利用橡膠的彈性可以提供較大的水平位移，另一方面利用金屬的強(qiáng)度可以提供豎向承載，是一種較為理想的減隔震制品[1]。同時(shí)，橡膠與金屬之間的模量相差非常大，橡膠的彈性模量為1 MPa左右，而金屬材料的彈性模量則高達(dá)104～105MPa，因此兩種材料之間的有效粘合一直是技術(shù)人員研究的重點(diǎn)[2-3]。

橡膠與金屬的粘合早在19世紀(jì)50年代就有研究[4-6]，其中利用膠粘劑實(shí)現(xiàn)兩種材料的粘合是目前應(yīng)用最廣泛和有效的方法，粘合機(jī)理主要為吸附、分子擴(kuò)散、滲透和共交聯(lián)作用[7]，其中膠粘劑類型可以分為單涂型和雙涂型兩種，目前工業(yè)應(yīng)用仍以傳統(tǒng)的雙涂型膠粘劑體系為主[8]。從粘合效果而言，雙涂型膠粘劑可以實(shí)現(xiàn)橡膠與金屬的粘合，具有較理想的粘合性能，但存在工藝復(fù)雜、干燥時(shí)間長，容易出現(xiàn)錯(cuò)用、混用等問題。單涂型膠粘劑具有使用便捷、高效等特點(diǎn)，隨著膠粘劑技術(shù)的發(fā)展，單涂型膠粘劑將會成為一種發(fā)展趨勢。兩種膠粘劑的粘合原理見圖1。

圖1 兩種膠粘劑的粘合原理Fig.1 Adhesion principles of two kinds of adhesives

本工作對單涂型膠粘劑的特點(diǎn)及其在橡膠支座中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并與雙涂型膠粘劑進(jìn)行對比，為制備高性能減隔震橡膠制品提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

單涂型膠粘劑，英國西邦化學(xué)公司產(chǎn)品；雙涂型膠粘劑，美國某公司產(chǎn)品；混煉膠，自制。

1.2 主要設(shè)備和儀器

X（S）K-160B型開放式煉膠機(jī)，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MD-3000A型無轉(zhuǎn)子硫化儀，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化機(jī)，佳鑫電子設(shè)備科技（深圳）有限公司產(chǎn)品；DSC-821型差示掃描量熱（DSC）儀，瑞士梅特勒公司產(chǎn)品；GTAJ7000S型電子拉力機(jī)，中國臺灣高鐵科技有限公司產(chǎn)品；2500T型二維加載試驗(yàn)機(jī)，北京富力通達(dá)科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

（1）剝離試樣。對噴砂處理的60 mm×25 mm×5 mm長方形鐵件粘合面采用噴涂、刷涂和輥涂3種工藝涂膠（膠粘劑干膜厚度控制為15～40 μm）。涂膠鐵件充分干燥后與橡膠片貼合放在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150℃/15 MPa×25 min，硫化試樣恒溫停放后測試粘合性能。

（2）橡膠支座試樣。用膠粘劑對橡膠支座所用噴砂鐵件（隔板、封鋼板）進(jìn)行涂膠處理，涂膠鐵件充分干燥后與橡膠片交替疊合放在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150 ℃/15 MPa×125 min，橡膠支座恒溫停放后測試粘合性能。

1.4 性能測試

采用DSC儀測試膠粘劑和橡膠的熱歷程，升溫速率為10 ℃·min-1；采用電子拉力機(jī)按照GB/T 7760—2016《硫化橡膠或熱塑性橡膠與硬質(zhì)板材粘合強(qiáng)度的測定 90°剝離法》測試剝離試樣的粘合強(qiáng)度；采用二維壓剪試驗(yàn)機(jī)測試橡膠支座的剛度和動態(tài)疲勞性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種膠粘劑的反應(yīng)活性

兩種膠粘劑和橡膠的DSC曲線見圖2。

圖2 兩種膠粘劑和橡膠的DSC曲線Fig.2 DSC curves of two kinds of adhesives and rubber

從圖2可以看出：當(dāng)溫度升至130 ℃左右，單涂型膠粘劑的DSC曲線開始偏離基線，即硫化反應(yīng)開始，而雙涂型膠粘劑面層膠的DSC曲線升至110 ℃左右開始偏離基線，表明雙涂型膠粘劑的起硫溫度低于單涂型膠粘劑；放熱峰對應(yīng)的溫度為硫化反應(yīng)速度最快時(shí)的溫度（最大反應(yīng)活性溫度），其中雙涂型膠粘劑的活性反應(yīng)溫度為110～193 ℃，最大反應(yīng)活性溫度為166 ℃，單涂型膠粘劑的活性反應(yīng)溫度為130～199 ℃，最大反應(yīng)活性溫度為189 ℃。由此可以推斷：雙涂型膠粘劑的起硫溫度低于單涂型膠粘劑，適用溫度范圍較單涂型膠粘劑寬；單涂型膠粘劑的起硫時(shí)間長于雙涂型膠粘劑，可以認(rèn)為單涂型膠粘劑的安全性更好。因此在高溫快速硫化制品中選擇單涂型膠粘劑更為合適，在長時(shí)間硫化制品中選擇雙涂型膠粘劑則具有一定優(yōu)勢，這為膠粘劑的選擇提供了一定依據(jù)。

2.2 單涂型膠粘劑的涂膠工藝與處理效率

不同涂膠工藝對單涂型膠粘劑剝離試樣粘合性能的影響見表1。

表1 不同涂膠工藝對單涂型膠粘劑剝離試樣粘合性能的影響Tab.1 Effect of different adhesive coating processes on adhesion of single component adhesive peel specimens

從表1可以看出：不同涂膠工藝制備的剝離試樣干膜厚度可達(dá)17 μm以上，橡膠與金屬的剝離強(qiáng)度達(dá)到14 kN·m-1以上；試樣破壞出現(xiàn)在橡膠面，破壞類型較為理想，說明單涂膠粘劑具有較好的工藝實(shí)用性。

兩種膠粘劑的處理時(shí)間見表2。

表2 兩種膠粘劑的處理時(shí)間Tab.2 Treatment time of two kinds of adhesives min

從表2可以看出，單涂型膠粘劑的處理時(shí)間遠(yuǎn)短于雙涂型膠粘劑，單涂型膠粘劑的處理效率比雙涂型膠粘劑提升1倍以上。

2.3 金屬表面處理方式對單涂型膠粘劑粘合效果的影響

根據(jù)分子吸附理論和擴(kuò)散理論，橡膠與金屬的粘合首先是膠粘劑與金屬表面產(chǎn)生吸附作用，借助分子主價(jià)鍵力和次價(jià)鍵力膠粘劑與金屬產(chǎn)生粘合，同時(shí)又通過分子擴(kuò)散作用，在硫化過程中膠粘劑與橡膠產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)，達(dá)到金屬與橡膠的粘合[9]，因此金屬表面處理方式對粘合性能影響很重要。

在此選用鍍鋅、磷化、拋丸和噴砂4種方式對金屬表面進(jìn)行處理，考察單涂膠粘劑的適用性。不同金屬表面處理方式對單涂型膠粘劑剝離試樣粘合性能的影響見表3。

表3 不同金屬表面處理方式對單涂型膠粘劑剝離試樣粘合性能的影響Tab.3 Effect of different metal surface treatment methods on adhesion of single component adhesive peel specimens

從表3可以看出：金屬表面采用拋丸和噴砂處理方式，單涂型膠粘劑的粘合性能較好，橡膠與金屬的剝離強(qiáng)度可達(dá)到12 kN·m-1以上，這可能與拋丸和噴砂可使金屬表面獲得更大的比表面積有關(guān)，大比表面積可使金屬表面與膠粘劑之間產(chǎn)生更大的嚙合作用；金屬表面采用鍍鋅和磷化處理方式的試樣破壞處未全部出現(xiàn)在橡膠內(nèi)部，橡膠與金屬的剝離強(qiáng)度為11 kN·m-1以上，這可能與鍍鋅和磷化的均勻性有關(guān)?？傊?，金屬表面采用拋丸和噴砂處理方式可以獲得較為理想的粘合效果，在覆膠率沒有苛刻要求的情況下，鍍鋅和磷化處理方式同樣具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

2.4 膠粘劑對橡膠支座剛度的影響

目前，結(jié)構(gòu)和膠料硬度對橡膠制品剛度影響的研究比較深入，而膠粘劑對橡膠制品剛度影響的研究報(bào)道較少。為研究兩種膠粘劑對橡膠制品剛度的影響，隨機(jī)抽取4件398 mm×398 mm×205 mm規(guī)格橡膠支座進(jìn)行剛度測試。兩種膠粘劑對橡膠支座剛度的影響見圖3。

圖3 兩種膠粘劑對橡膠支座剛度的影響Fig.3 Effect of two kinds of adhesives on stiffness of rubber bearing

從圖3可以看出，膠粘劑類型對橡膠支座的水平剛度和垂向剛度均有影響，其中單涂型膠粘劑橡膠支座的剛度明顯高于雙涂型膠粘劑橡膠支座。這可能與膠粘劑的反應(yīng)速率有關(guān)，單涂型膠粘劑粘合效率較高，在相同硫化時(shí)間內(nèi)硫化程度高于雙涂型膠粘劑，因此其橡膠支座表現(xiàn)為高剛度。這為橡膠制品剛度調(diào)節(jié)提供了一種簡易解決方案和思路。

2.5 單涂型膠粘劑橡膠支座的動態(tài)疲勞性能

為檢驗(yàn)單涂型膠粘劑橡膠支座的動態(tài)疲勞性能，用動態(tài)加載試驗(yàn)（如圖4所示）對橡膠支座進(jìn)行疲勞性能測試：采用循環(huán)垂向加載方式，垂向壓力（P）為7～15 MPa，加載次數(shù)為2×106，該方案可以較好地模擬橡膠支座現(xiàn)場使用工況，加載2×106次后橡膠支座外觀無異常。為進(jìn)一步驗(yàn)證單涂型膠粘劑橡膠支座的粘合性能，將P增大到20 MPa，繼續(xù)加載106次，試驗(yàn)完成后卸去載荷，產(chǎn)品表面無粘合缺陷和裂紋。將測試后的橡膠支座進(jìn)行解剖（如圖5所示），產(chǎn)品內(nèi)部無缺陷，橡膠與金屬未出現(xiàn)破壞。以上試驗(yàn)表明，采用單涂型膠粘劑可以滿足橡膠支座的耐動態(tài)疲勞性能要求。

圖4 動態(tài)加載試驗(yàn)示意Fig.4 Schematic diagram of dynamic loading experiment

圖5 極限加載測試后的橡膠支座內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of rubber bearing after ultimate load experiment

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)雙涂型膠粘劑相比，單涂型膠粘劑起硫溫度高，處理效率快，適用于高溫快速硫化制品。

（2）單涂型膠粘劑剝離試樣的剝離強(qiáng)度達(dá)到11 kN·m-1以上，且試樣破壞出現(xiàn)在橡膠面，破壞類型理想，單涂型膠粘劑可以滿足橡膠支座的粘合要求。

（3）與雙涂型膠粘劑橡膠支座相比，單涂型膠粘劑橡膠支座的剛度高。膠粘劑類型對橡膠支座的剛度有一定影響，這為橡膠支座剛度的調(diào)節(jié)提供了思路。

（4）單涂型膠粘劑橡膠支座的耐動態(tài)疲勞性能好，可以滿足橡膠支座的使用要求。