橡膠地板布與密封膠的粘接工藝研究

饒勇高，毛幸福

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

根據(jù)某項目車輛在現(xiàn)場運營一段時間后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)裝（底部不銹鋼）及地板布與密封膠存在脫膠和翻邊的情況，結(jié)合現(xiàn)場實物進(jìn)行分析，主要原因集中在膠黏劑與地板布的匹配性、地板布表面處理方式等。其中不同地板布表面的溢出物以及內(nèi)部添加物不同，不同類型的膠黏劑的活性基團(tuán)與地板布材質(zhì)表面基團(tuán)無法進(jìn)行有效穩(wěn)定的連接[1]。為進(jìn)一步驗證粘接工藝與密封膠選型的可靠性，并有效指導(dǎo)返工，對相關(guān)膠粘劑的粘附性能進(jìn)行驗證研究。

1 機(jī)理及驗證

膠黏劑從成分可分為有機(jī)膠黏劑、無機(jī)膠黏劑等類型，在固化機(jī)理又可分為物理固化、化學(xué)固化等。膠黏劑與基材之間的反應(yīng)機(jī)理也存在多種情況[2]。

機(jī)理通常分為機(jī)械理論、吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論以及弱邊界層理論。不同理論的機(jī)理其達(dá)到的效果不盡相同。

從機(jī)械理論的角度出發(fā)認(rèn)為，膠黏劑出來后通過自身粘度與流淌性，流入基材表面的微觀空隙中，把同時擠出內(nèi)部的氣體，形成良好的平面以滿足粘接的條件[3]。同時形成機(jī)械嵌定作用，使得膠黏劑及基材之間形成較好的受力，實現(xiàn)提高粘接強(qiáng)度的效果。

從吸附理論的角度出發(fā)，粘接是使用膠黏劑將兩種基材進(jìn)行粘接結(jié)合，膠黏劑與基材之間的界面會產(chǎn)生貼合，貼合的效果我們通常以潤濕形容，不同基材的表面界面呈現(xiàn)不同的表面張力，實驗一致認(rèn)為膠粘劑的表面張力應(yīng)小于基材的臨界表面張力，膠黏劑就可以浸入基材表面形成良好潤濕。良好潤濕是粘接的必要條件。

從擴(kuò)散理論的角度出發(fā)，基材與膠黏劑之間的粘接力是膠黏劑及基材在界面產(chǎn)生分子擴(kuò)散形成的。當(dāng)然基本只有基材為長鏈條聚合物等非金屬材料，分子擴(kuò)散的可能性才較為明顯。

從靜電理論的角度出發(fā)，膠黏劑與基材界面的粘附力是通過界面的分子之間產(chǎn)生的靜電力所形成的，不同實驗也論證過基材表面存在電荷之間的轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)不同的化學(xué)鍵或者電極，從而形成穩(wěn)固的粘附力達(dá)到良好粘接效果。

粘接接頭的粘接力主要分為內(nèi)聚力和黏附力，其中內(nèi)聚力主要集中在基材材料內(nèi)，屬于材料本身特性。黏附力為基材之間的界面產(chǎn)生的作用力[4]。一種粘接接頭失效模式的產(chǎn)生的發(fā)生基本可以鎖定在界面層，黏附力低于設(shè)計接頭強(qiáng)度要求，導(dǎo)致出現(xiàn)脫膠、開裂、孔洞等缺陷。

1.試驗項點：（1）驗證公司目前常用的三款密封膠西卡221（灰）、波士7003sskf（灰）、廣研930（灰）與某地鐵項目地板布粘附性能試驗。（2）驗證卡瑞得166R 膠粘劑（供應(yīng)商提供）與地板布、不銹鋼板、西卡221（灰）的粘附性能試驗。

2.試驗方案：（1）試驗方案1：地板布分別采用三種膠粘劑匹配的清潔劑進(jìn)行表面處理。（2）試驗方案2：在方案1 基礎(chǔ)上，地板布在清潔前增加打磨的表面處理。（3）試驗方案3：在方案1 基礎(chǔ)上，地板布在清潔前增加地板布供應(yīng)商提供的除蠟水進(jìn)行表面處理。（4）試驗方案4：地板布采用卡瑞得166R 進(jìn)行密封，采用卡瑞得配套的清潔劑進(jìn)行表面處理。考慮到后續(xù)返工工程中可能存在西卡221 局部清除不徹底和粘接接頭另一側(cè)基材為不銹鋼踢腳線的情況，同時驗證卡瑞得166R 與不銹鋼板、西卡221（灰）的粘附性能。同時考慮到打磨工序在操作執(zhí)行過程中存在易造成地板布表面有打磨痕跡、引起膠縫有毛刺等現(xiàn)象，此次驗證不增加打磨工序。

3.試驗工具、設(shè)備：氣動注膠槍、美工刀、80目砂紙。

4.試驗標(biāo)準(zhǔn)：室溫固化7 天，DIN EN 54457 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剝離試驗。

5.試驗地點：車間、計量理化部（溫濕度在15°～35°，30%～70%范疇）。

6.試驗及測試人員：設(shè)計、工藝、質(zhì)量、一線作業(yè)員工等。

7.試驗及測試時間：2021.06-2021.08。

2 試驗記錄及結(jié)論

2.1 試驗過程記錄

2.1.1 試驗材料及環(huán)境信息具體如表1 所示。

表1 試驗基材及環(huán)境信息

2.1.2 試驗條件及標(biāo)準(zhǔn)室溫固化7 天，DIN EN 54457 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剝離試驗。

2.1.3 試驗方法

試驗項點1：三種地板布僅進(jìn)行異丙醇清潔，西卡221 采用AK-100 處理表面，其余不處理，三種地板布基材不進(jìn)行表面打磨處理，粘接三種密封膠。

試驗項點2：三種地板布僅進(jìn)行異丙醇清潔，西卡221 采用AK-100 處理表面，其余不處理，三種地板布基材均進(jìn)行表面打磨處理，粘接三種密封膠。

試驗項點3：三種地板布僅進(jìn)行異丙醇、除蠟水同時清潔，西卡221 采用AK-100 處理表面，其余不處理，三種地板布基材均進(jìn)行表面打磨處理，粘接三種密封膠。

試驗項點4：地板布、不銹鋼基材進(jìn)行C-95、C-96清洗劑清潔與表面活化處理，粘接卡瑞德166R 密封膠（見表2）。

表2 采用C-95 清洗劑及C-96 活化劑測試記錄

2.2 試驗結(jié)論

2.2.1 試驗項點1

試驗結(jié)果表明，西卡221（灰）、波士7003sskf（灰）、廣研930（灰）與地板布之間粘接效果均不滿意，試驗結(jié)果代碼4。

2.2.2 試驗項點2

試驗結(jié)果表明，西卡221（灰）、波士7003sskf（灰）、廣研930（灰）與地板布之間粘接效果均不滿意，試驗結(jié)果代碼3。增加打磨工序，地板布粘接效果略有提升，但地板布密封處增加打磨工序易造成地板布表面有打磨痕跡、易引起膠縫有毛刺。

2.2.3 試驗項點3

試驗結(jié)果表明，西卡221（灰）、波士7003sskf（灰）、廣研930（灰）與地板布之間粘接效果均不滿意。西卡221（灰）試驗結(jié)果代碼3，波士7003sskf（灰）、廣研930（灰）試驗結(jié)果代碼4。

2.2.4 試驗項點4

試驗結(jié)果表明，卡瑞得166R 不銹鋼板、西卡221膠之間粘接效果滿意。試驗結(jié)果代碼1?？ㄈ鸬?66R與地板布之間粘接效果基本滿意。試驗結(jié)果代碼2。

3 驗證分析

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析，對基材表面打磨處理后的效果比未打磨的效果提升較大。

粘接材料及其表面是多種多樣的。有金屬材料也有非金屬材料；材料表面也會因不同污染物造成污染；基材表面微觀結(jié)構(gòu)也存在光滑、粗糙甚至密制多孔等情況；從材料熱力學(xué)角度考慮，所有基材表面的表面能和表面張力各不一致；從材料成分及活性程度角度考慮，基材表面的分子團(tuán)、活性基團(tuán)均不一致，其活性的程度也不一致；所以基材表面的處理方式以及處理效果程度非常影響粘接強(qiáng)度。通俗來說更多的主要體現(xiàn)在表面清潔程度、表面粗糙程度以及表面化學(xué)活性結(jié)構(gòu)等三個方面。

3.1 表面清潔度

所有需粘接的材料若要實現(xiàn)較好的粘接效果，首先就需要實現(xiàn)基材表面的良好潤濕及其清潔效果[5]。不同材料的潤濕主要和基材的屬性關(guān)聯(lián)較大，如基材表面張力、基材表面能。所以在基材形成粘接之前，需要對膠黏劑及基材的表面能進(jìn)行測定或確定。選擇的膠黏劑的表面能需低于所粘接的基材。同時不同基材表面在成型后，受到空氣的污染、轉(zhuǎn)運污染、存放污染等環(huán)節(jié)，造成基材表面產(chǎn)生不同的污染面，良好的處理方式將污染面進(jìn)行清理，才可以形成良好的潤濕。表面處理尤其重要，可以采用化學(xué)處理如異丙醇、丙酮等溶劑清潔脫脂，也可以采用砂紙、刀具切割等物理方法處理。要得到良好的粘接強(qiáng)度，粘接材料表面的接觸角應(yīng)當(dāng)很小甚至為零。

3.2 表面粗糙度

粘接材料表面糙化之所以會提高粘接強(qiáng)度，首先，基材表面良好的粗糙化可以讓表面得到良好的凈化，無明顯的異物殘存在基材表面；其次，處理后的表面粗糙度較為平整，是一個全新的基材表面層，呈現(xiàn)出一個嶄新的基材活性表面；最后，基材表面粗糙度的不同會讓其形成的機(jī)械嵌入作用效果不一致，考慮到膠黏劑本身的粘度及其流淌性，表面的粗糙孔洞會影響其膠黏劑的流入，從而影響機(jī)械互鎖等作用效果，從而影響粘接強(qiáng)度。

3.3 表面化學(xué)活性結(jié)構(gòu)

所有材料表面均有不同程度的活性，只是在相對的情況下出現(xiàn)高低不同，基材內(nèi)部的化學(xué)成分組成屬于基材的特定屬性，會直接因材料成分而決定，基材的表面化學(xué)活性結(jié)構(gòu)一般可稱為活性基團(tuán)，在非金屬材料中尤為明顯。不同活性基團(tuán)帶有不同的分子及原子、電荷等因子，可以通過不同化學(xué)反應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移等方式形成不同的化學(xué)鍵、電極飽和態(tài)等，也可以改變基材表面的基團(tuán)，從而在界面形成不同程度的粘附力。

地板布基本材質(zhì)屬于非金屬材料，如橡膠、PVC 等。在滿足柔韌性、防火、耐臟等方面，在地板布中加入多種添加劑、阻燃劑，整體成型后表面會進(jìn)行封蠟等處理，同時內(nèi)部添加劑滲透至表面行程隔離層。采用簡單的清潔劑無法有效清理，且基材表明凹陷中已被多種添加劑等填滿，表面整體粗糙度不均勻，無法形成有效的粘接。打磨可以通過物理手段將地板布表面殘留污漬統(tǒng)一清理，且將表面粗糙度獲得良好的均勻分布。膠黏劑的潤濕可以得到充分實現(xiàn)，得到良好的粘接效果。

4 結(jié)語

通過系列試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表明，地板布表面處理及密封膠選型、表面處理劑等因素會對密封效果產(chǎn)生直接影響。不同地板布與密封膠的地板布表面進(jìn)行粘接密封時，采用砂紙打磨可以有效提升粘附性能；由于不同地板布表面含有不同成分的添加劑（主要以防護(hù)蠟為主），后續(xù)項目地板布進(jìn)行施工設(shè)計前，均需提前完成地板布與密封膠粘附性能試驗，以滿足批量生產(chǎn)。

整體的施工工藝應(yīng)是“清潔—打磨—清潔—表面處理—注膠—刮膠—固化”，地板布表面進(jìn)行密封作業(yè)時采用除蠟水進(jìn)行處理，或采用密封膠及其表面配套處理劑進(jìn)行處理，可以獲得良好、穩(wěn)定的粘接效果。