硫化橡膠與金屬的室溫黏合研究

全海源 ，馮進(jìn) ，林曉銘 ，馬英 ，高靜 ，張獻(xiàn)輝 *

（1. 中國化工集團(tuán)曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司， 廣西 桂林 547000 ；2. 海裝廣州局，廣西 梧州 543000）

硫化橡膠與金屬黏合廣泛應(yīng)用于國防、航空、航天、輕紡、電子、電視、無線電、機(jī)械等領(lǐng)域[1]，通過硫化橡膠與金屬黏合，實(shí)現(xiàn)橡膠的高彈性與金屬的高強(qiáng)度的結(jié)合，從而獲得高強(qiáng)度和耐久的復(fù)合材料[2～3]，同時(shí)獲得減震，降噪，增加耐磨性等特性。由于硫化橡膠與金屬屬于完全不同的材料，且它們化學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有巨大差異[4]，因此，借助黏合劑實(shí)現(xiàn)橡膠與金屬的黏合是一種簡便的方法，尤其在室溫下完成黏合是重要的方式之一。

環(huán)氧樹脂黏合劑作為金屬材料黏合的結(jié)構(gòu)膠，與金屬的黏合性能優(yōu)異[5]。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，使用環(huán)氧樹脂黏合劑對硫化橡膠和金屬黏合，在進(jìn)行剝離時(shí)，出現(xiàn)的所有黏合破壞面都出現(xiàn)在橡膠與環(huán)氧樹脂固化層，原因在于環(huán)氧樹脂固化后的彈性模量接近金屬，遠(yuǎn)大于普通的硫化橡膠，從而使環(huán)氧樹脂與金屬的黏合性能較好，但它與橡膠的黏合強(qiáng)度較低，即所有黏接破壞都出現(xiàn)在橡膠與黏合劑的層面間[6]。為解決這一問題，在環(huán)氧樹脂與橡膠之間引入過渡層成為了可靠方法，過渡層的彈性模量介于環(huán)氧樹脂與橡膠之間，起到橋梁作用，賀洪[5]等人以 NDZ 環(huán)氧樹脂黏合劑作為基部層膠，以自制的環(huán)氧樹脂基黏合劑作為過渡層膠，進(jìn)行硫化橡膠與金屬室溫下的復(fù)合黏合，硫化橡膠與金屬黏合性能提高。

Chemlok 黏合劑是橡膠與金屬熱硫化黏合的常用黏合劑，在低模量的橡膠與高模量的金屬之間形成一個(gè)模量梯度層，在橡膠與金屬之間擴(kuò)散，形成過度黏接層，增加黏合強(qiáng)度，本研究將利用chemlok 黏合劑的這一特性，將chemlok 黏合劑涂覆在硫化橡膠表面，在高溫下使chemlok 黏合劑固化在硫化橡膠表面，與硫化橡膠黏合，形成過渡層，隨后使用環(huán)氧樹脂將硫化橡膠與金屬在室溫下黏合，實(shí)現(xiàn)室溫下硫化橡膠與金屬高強(qiáng)度黏合。本研究使用商業(yè)化的黏合劑，以簡便的操作方式實(shí)現(xiàn)硫化橡膠與金屬的黏合，對硫化橡膠與金屬的黏合具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文以丁腈橡膠1965 的硫化橡膠與不銹鋼片為例, 對硫化橡膠表面的表面處理方式、過度層組分、過渡層固化條件對黏接性能的影響進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹脂J-200-1A（黑龍江石化研究院），chemlok 黏合劑205，chemlok 黏合劑220，chemlok黏合劑233（上海洛德化學(xué)有限公司），乙酸乙酯（分析純），自制鉻酸洗液（重量份：重鉻酸鉀: 濃硫酸:水=1:10:30），重鉻酸鉀和濃硫酸均為市售分析純。

1.2 主要儀器和設(shè)備

T-10 型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，角磨機(jī)，烘箱，砂紙。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 試件規(guī)格尺寸

硫化膠片：300 mm（長）×25 mm（寬）×2 mm（厚）。

不銹鋼片：150 mm（長）×25 mm（寬）×2 mm（厚），黏接長度100 mm。

1.3.2 測試樣品制備

（1）硫化橡膠和金屬表面處理

不銹鋼片：用角磨機(jī)打磨去除表面的氧化層，并致其粗糙，隨后用乙酸乙酯清洗，干燥；

硫化膠片：用打磨或酸洗處理硫化橡膠表面。①打磨：用砂紙對硫化橡膠表面進(jìn)行打磨致其粗糙，清理打磨碎屑后用乙酸乙酯清洗，干燥，②酸洗：硫化橡膠用鉻酸洗液進(jìn)行表面處理20 min，隨后在70 ℃下烘干1 h，冷卻至室溫。

（2）硫化橡膠過渡層生成

首先在硫化膠片黏合面均勻刷涂chemlok 黏合劑，自然晾干后轉(zhuǎn)移到140 ℃烘箱中固化，固化完成后冷卻至室溫。

（3）黏合固化

將環(huán)氧樹脂J-200-1A 按照甲組分 : 乙組分=10:3 的比例混合均勻，然后均勻涂抹在硫化膠片和不銹鋼片的黏合面，將硫化膠片和不銹鋼片貼合，并固定避免移動(dòng)，在室溫下固化24 h。

1.3.3 性能測試

黏合強(qiáng)度按照GB/T 2790—1995《膠黏劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法 撓性材料對剛性材料》規(guī)定的方法測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化橡膠表面處理方式

對硫化橡膠表面采取不處理、酸洗和不同粗細(xì)砂紙打磨的處理方式，按照上述測試樣品制備的操作，研究不同處理方式對黏合強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表1。

表1 硫化橡膠表面處理方式對黏合強(qiáng)度的影響

由表1 可知，不對硫化橡膠表面處理，黏合強(qiáng)度最低，經(jīng)過打磨處理的硫化橡膠黏合強(qiáng)度最高，且60目砂紙打磨的黏合強(qiáng)度高于120 目砂紙打磨，而酸洗處理的黏合強(qiáng)度低于打磨處理。由于橡膠表面存在遷移的配合劑，會(huì)降低黏合性，通過酸洗可洗去硫化橡膠表面雜質(zhì)，因此，黏合強(qiáng)度相比未處理的高，而打磨處理增加了硫化橡膠與chemlok 黏合劑的接觸面積，黏合劑的浸潤性更好，黏合強(qiáng)度高，打磨砂紙?jiān)酱植?，硫化橡膠與黏合劑接觸面積越大，黏接強(qiáng)度更高[6]。

2.2 過渡層膠黏劑選擇

過渡層膠黏劑選擇Chemlok 205 膠黏劑、Chem lok 233 膠黏劑以及雙涂層Chemlok 205/220 和Chemlok 205/233 膠黏劑，按照上述測試樣品制備的操作，研究不同過渡層膠黏劑對黏合強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同過渡層膠黏劑對黏合強(qiáng)度的影響

由表2 可知，增加過渡層膠黏劑后，硫化橡膠與金屬的黏合強(qiáng)度增加，采用雙涂層過渡層膠黏劑的黏合強(qiáng)度較單涂的高，由于增加過渡層膠黏劑涂層在硫化橡膠與環(huán)氧樹脂之間增加了模量梯度層，從而使得黏合強(qiáng)度增加，而雙涂層增加了兩個(gè)模量梯度層，底涂層與環(huán)氧樹脂接近，面涂層與硫化橡膠接近，因此，黏合效果更佳[7]。其中Chemlok 205/220 的雙涂層效果最佳。

2.3 過渡層膠黏劑固化條件

過渡層膠黏劑固化溫度選擇為140 ℃，溫度升高會(huì)對硫化橡膠造成老化，溫度降低則固化時(shí)間太長。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)對硫化橡膠的性能要求，選擇適合的固化溫度。按照上述測試樣品制備的操作，試驗(yàn)了不同固化時(shí)間下硫化橡膠與金屬的黏合強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 不同過渡層膠黏劑對黏合強(qiáng)度的影響

隨著固化時(shí)間的增加，黏合強(qiáng)度隨之增加，固化時(shí)間達(dá)到40 min 后黏合強(qiáng)度達(dá)到最高，說明膠黏劑已經(jīng)固化完全，因此，過渡層膠黏劑最佳固化條件為140 ℃×40 min。

3 結(jié)論

硫化橡膠表面采用砂紙打磨，并用乙酸乙酯清洗，硫化橡膠與金屬的黏合強(qiáng)度更好，砂紙的越粗糙，打磨后黏合效果更好。

過渡層膠黏劑選擇雙涂層相比單涂層黏合效果更佳，在本研究中Chemlok 205 底涂和Chemlok220 面涂的雙涂層過渡層膠黏劑的黏合效果最好。

在140 ℃下，過渡層膠黏劑的固化時(shí)間在40 min后固化完全，最佳固化條件為140 ℃×40 min。

本文提供的是一種硫化橡膠與金屬的室溫黏合方法，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的橡膠和黏合劑的模量，選擇適合的過渡層膠黏劑。