化學(xué)粗化時間對不銹鋼/橡膠復(fù)合件性能的影響

周同理

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橡膠/金屬復(fù)合件是通過膠黏劑的“橋梁”作用將橡膠和金屬組合在一起所得到的，具有高彈性和高強(qiáng)度。涂膠前金屬的表面處理對兩者之間的粘接性能非常重要。目前金屬表面處理主要有噴砂、拋丸和磷化。噴砂和拋丸存在噪音和粉塵污染，且有局部處理不到位的風(fēng)險；磷化則能耗大，廢水處理成本高?；瘜W(xué)粗化通過溶液對基體的腐蝕作用獲得較粗糙的表面，有效避免了上述工藝的缺點(diǎn)[1-2]。

筆者所在公司新開發(fā)的某不銹鋼薄壁件產(chǎn)品在噴砂時存在金屬骨架變形和處理不到位，以及不與磷化液發(fā)生反應(yīng)的問題。綜合考慮后擬改用化學(xué)粗化工藝，但化學(xué)粗化能否保證不銹鋼與橡膠之間粘接良好，會否導(dǎo)致薄壁件在生產(chǎn)過程中變形，尚不得而知。為此，本文通過控制粗化時間得到了比表面積不同的不銹鋼，研究了粗化效果對不銹鋼與橡膠的粘接性能和變形性能的影響，以期為生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

菌形樣板，304不銹鋼材質(zhì)，按GB/T 11211–2009制作(如圖1所示)，用于測試粘接性能；42CrMo不銹鋼隔片(如圖2所示)，用于測試質(zhì)量損失和承載力；底膠、面膠，由陶氏化學(xué)提供。

圖1 菌形試樣Figure 1 Mushroom-like specimen

圖2 不銹鋼隔片F(xiàn)igure 2 Stainless steel spacer

1.2 主要儀器與設(shè)備

粗化生產(chǎn)線，鑫匯達(dá)表面處理有限公司；Y33-50A型平板硫化機(jī)，江西萍鄉(xiāng)無線電專用設(shè)備廠；ATOS5光學(xué)三維掃描測量儀，德國GOM；VK-X3000形狀測量激光顯微系統(tǒng)，基恩士；JYW-67萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思計量技術(shù)有限公司；SL102電子天平(精度0.01 g)，成都成量工具集團(tuán)有限公司。

1.3 試樣制備

粘接前粗化工藝流程：乳化(50 ~ 60 °C，5 ~ 8 min)→水洗(常溫，1 ~ 2 min，后同)→鹽漬(70 ~ 80 °C，6 ~8 min)→水洗→緩蝕(40 ~ 45 °C，3 ~ 5 min)→活化(70 ~ 80 °C，8 ~ 10 min)→水洗→粗化(常溫，0 ~ 384 h)→水洗→去灰(50 ~ 60 °C，5 ~ 8 min)→水洗→去離子水洗(常溫1 ~ 2 min)。

粘接工藝流程：粗化→涂膠(常溫，P-11/M538)→干燥(70 ~ 80 °C，30 min)→硫化(150 °C，15 min)。

1.4 性能測試

采用VK-X3000形狀測量激光顯微系統(tǒng)觀察不銹鋼的表面狀態(tài)，通過光學(xué)三維掃描測量儀獲得不銹鋼表面的起伏表面積和自身投影面積之比，即比表面積。

參考GB/T 11211–2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 與金屬粘合強(qiáng)度的測定 二板法》檢測不銹鋼與橡膠的粘接性能，目測估算附膠率，附膠率在95%以上為合格。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)粗化后金屬的表面狀態(tài)

對菌形不銹鋼試樣化學(xué)粗化不同時間，獲得不同的比表面積。如圖3和圖4所示，隨粗化時間延長，菌形不銹鋼的表面逐漸變粗糙，比表面積增大。粗化72 h和120 h時，菌形不銹鋼試樣的比表面積分別為0.111和0.153時，表面較為均勻、細(xì)膩。粗化384 h時，不銹鋼的比表面積為0.931，表面凹凸不平。

圖3 化學(xué)粗化不同時間后基體的表面狀態(tài)Figure 3 Surface states of substrate after being roughened chemically for different time

圖4 化學(xué)粗化不同時間后基體的比表面積Figure 4 Specific surface area of substrate after being roughened chemically for different time

2.2 化學(xué)粗化后不銹鋼/橡膠復(fù)合制品的性能

2.2.1 化學(xué)粗化后不銹鋼/橡膠的粘接性能

從表1可知，粗化72 h和120 h時，不銹鋼與橡膠的附膠率達(dá)100%，因?yàn)榇藭r不銹鋼表面均勻，比表面積較大，金屬與膠黏劑之間能夠充分浸潤。粗化384 h時，出現(xiàn)露鐵現(xiàn)象。分析認(rèn)為：雖然此時鋼板比表面積大，但表面凹凸不平，低凹處容易包裹空氣形成缺陷，使膠黏劑無法充分浸潤?？梢?，并非比表面積越大就越有利于膠黏劑與基體之間的粘接。

表1 化學(xué)粗化不同時間后不銹鋼與橡膠的粘接強(qiáng)度Table 1 Bonding strength of rubber to stainless steel after being roughened chemically for different time

2.2.2 化學(xué)粗化后不銹鋼隔片的變形情況

粗化是通過溶液對金屬基體的腐蝕作用而獲得不同的比表面積，隨著粗化的進(jìn)行，不銹鋼隔片必定會變薄。在萬能試驗(yàn)機(jī)上以10 mm/min的速率沿半徑方向?qū)Ω羝虞d一定的力，直至其位移5 mm，記錄最大承載力(F)。從圖5可知，隨粗化時間的延長，不銹鋼隔片的質(zhì)量損失(Δm)增大，最大承載力降低。粗化120 h時，不銹鋼隔片的質(zhì)量損失為4.15 g/cm2，最大承載力下降到2 500 N以下。

圖5 化學(xué)粗化不同時間后不銹鋼隔片的質(zhì)量損失和承載力Figure 5 Mass loss and bearing capacity of stainless steel spacer after being roughened chemically for different time

取化學(xué)粗化不同時間的隔片進(jìn)行涂膠硫化，發(fā)現(xiàn)粗化時間達(dá)到120 h時，隔片明顯變形，產(chǎn)品外觀和性能明顯下降。因此，適宜的化學(xué)粗化時間為72 h，即以控制不銹鋼的比表面積在0.11左右為宜。

3 結(jié)論

對不銹鋼化學(xué)粗化72 ~ 120 h時，不銹鋼表面均勻、細(xì)膩，比表面積為0.11 ~ 0.15，能夠與橡膠形成良好的粘接。但粗化時間達(dá)到120 h后不銹鋼隔片容易發(fā)生變形。因此較佳的化學(xué)粗化時間為72 h，該條件下所得橡膠/金屬復(fù)合件產(chǎn)品性能優(yōu)良。