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橡胶与金属热硫化粘接工艺的探讨

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2024-02-29 11:28:20

橡胶与金属粘接起来的复合体系在汽车工业、机械制造业、桥梁及建筑工程构件等领域有着广泛的应用。由于橡胶与金属属于两种差别极大的材质,胶粘剂是将二者粘接起来的过渡层,因此对其性能要求很高。在两者热粘接过程中,由于橡胶自身发生交联反应,由线型结构向三维网络结构转变,同时橡胶与胶粘剂也发生化学反应,两者叠加导致其粘接机理十分复杂,对于橡胶和金属的粘接机理,目前主要有的是扩散渗透理论、机械作用理论、电磁理论、静电理论、共交联理论及吸附理论等。在选择优异的胶粘剂的同时,合理的硫化工艺条件对于提高工作效率、节约粘接成本、降低粘接废品率等具有重要作用。除此之外,为了使橡胶和金属这两种化学结构与力学性能完全不同的材料能够实现高强度的粘接,除了需要不断研制新型胶粘剂之外,对胶粘剂的使用过程及硫化三要素也要进行严格的控制。

 

1     使用流程

 

按橡胶制品生产企业在使用过程中的划分,橡胶和金属的热硫化胶粘剂使用基本工序如下:胶粘剂的贮存→胶粘剂的稀释→胶粘剂的检测→粘接基材的处理→胶粘剂的涂覆→胶粘剂的预固化→橡胶与金属热硫化→粘接效果检测。

 

2     各工序的操作要点

 

2.1  胶粘剂贮存

 

1)胶粘剂的存放区域应设置醒目标识,并标明严格禁止火种、禁止吸烟,应保证通风良好,并且可以对存放区域进行温度调节;其次,胶粘剂的存放区域应准备一定量的沙子、沙土,用于紧急灭火;存放胶粘剂应分堆、分类,不得堆放过密或过高,应保持堆码与堆码之间的距离;存放区域应有顶棚遮阳,保证胶粘剂不会被雨雪浇淋或太阳直晒;应定期检查性质不稳定、易分解变质和混有杂质的胶粘剂。

 

2)对于胶粘剂的存储温度与湿度也有要求。当胶粘剂未被开封时,存储温度以0~40℃适宜,湿度以包装体的表面不随温度变化形成凝露为限。当胶粘剂已被开封,使用之后需要被储存的,存储温度以15~30℃适宜,湿度建议不大于80%

 

3)胶粘剂的有效期问题。胶粘剂的说明书上标明 了有效期限,此有效期限是指胶粘剂在未开封状态下或开封时间很短的情况下进行密封保存的有效期,若胶粘剂经过稀释,其有效期会比标注有效期短一些。一般胶粘剂会设定比较短的有效期,目的是要保证胶粘剂在良好的保存条件下,经过设定的时间后仍然能保持其原有的粘接性能。实际使用过程中经常因为各种原因,还没有使用完胶粘剂就超过有效期,针对此种情况提出以下几个建议:企业对胶粘剂储存时,一般达不到储存的极限条件,如果原液是一直处于密封的状态,可以取出一小部分样品进行粘结测试,确定其粘结力是否失效。按照以往的使用经验,有些胶粘剂在达到1.5倍的质保时间后,仍然可以满足粘结的一般要求。

 

2.2  稀释剂

 

通常胶粘剂的稀释剂可以分为酯类、酮类、苯类、醇类等。选择稀释剂的原则如下:①与胶粘剂溶解度相近,两者可以相溶或者形成悬浊液;②满足后期涂覆胶粘剂的加工性、挥发性的工艺要求;③成本较低;④属于有毒溶剂如含有苯、二甲苯、丁酮等,尽量少用或不使用;⑤尽量选择和胶粘剂表面性能相近的物质。

 

稀释剂属于危化品,要严格按照危化品规范进行贮存。

 

2.3  胶粘剂选择

 

2.3.1  胶粘剂的种类

 

常用的橡胶胶粘剂种类有:环氧树脂类、硅烷类及改性酚醛类。

 

1)环氧树脂类:环氧胶粘剂是由环氧树脂、促进剂、固化剂、稀释剂、改性剂、填料等物质组成。环氧胶粘剂粘接的过程是一个非常复杂的化学和物理过程,包括浸润、固化、粘附等步骤,最后形成三维网络交联结构,与基材结合成一个整体。环氧树脂系胶粘剂的粘结性能:粘结强度、粘结耐热性、粘结耐腐蚀性以及粘结抗渗性等,不仅与胶粘剂的性能和结构、基材属性有关,而且与基材的预处理、基材表面活性、胶粘剂制备工艺、贮存方式以及粘接工艺等有关,此外还与周围的环境有关,受环境应力、湿度、温度、介质等制约。

 

2)硅烷类:硅烷偶联剂属于有机硅化合物,一个分子中包含两种基团,这两种基团具有不同的性质。因为结构的特殊性,可以进行表面处理;此外,当橡胶和其他材料需要交联时,硅烷因特殊结构可以作为增粘剂,显著提高两种材料的交联强度。但硅烷胶粘剂的存储要求比较高,因为带有可水解基团,所以对密封性及环境的干燥要求很高,防止受潮水解导致粘接失效。

 

3)改性酚醛类:改性酚醛包括丁腈酚醛与环氧酚醛。丁腈酚醛多用于一般的胶粘剂中,因为其耐高温性能较好,剪切强度在高温下也较好,经过高温老化后强度保留率比较高;此外,丁腈酚醛胶粘剂具有很好的韧性,很高的剥离强度,可以支撑有载体的胶膜与胶液使用。环氧酚醛胶粘剂则在军工制品当中运用较多。

 

2.3.2  胶粘剂选择的依据

 

1)需要粘接的胶种与基材。不同的配方主体胶种与不同的基材粘接选择对应的胶粘剂,胶粘剂型号、种类要选择正确。

 

2)橡胶制品的技术要求。若产品要求有较高的防锈性能选用树脂类胶粘剂;产品对外观颜色有较高要求的选用硅烷类胶粘剂。

 

3)橡胶制品的生产工艺。如采用注射工艺生产则应选择有较好抗冲刷能力的胶粘剂。

 

2.4  稀释工艺

 

2.4.1  稀释工艺的选择

 

根据胶粘剂的涂覆方式的不同,稀释比例也不同。按重量计量,刷涂稀释比例最小原液:稀释剂大致在1:0.3~1:0.5范围内选取;喷涂稀释比例居中,原液:稀释剂大致在1:0.4~1:0.6范围内选取;浸涂稀释比例最大,原液:稀释剂大致在1:0.6~1:0.8范围内选取。根据基材的不同选择涂覆工艺,当涂覆平板基材且面积较大时,优先选择喷涂工艺,也可以选择浸涂和涂刷工艺;当涂覆的基材是异形骨架时,建议优选浸涂工艺,也可以选择喷涂工艺。根据对粘接要求的严格程度选择,当要求比较苛刻时优先选择喷涂工艺。

 

2.4.2  开桶后搅拌

 

虽然开桶之前做过预搅拌,但不能因此就忽略搅拌这一步骤,开桶后使用带有可旋转桨叶的工具进行搅拌,是在预搅拌之后,直接搅拌胶粘剂原液。此时搅拌桨直接与液体接触,搅拌力度更大,作用更好,搅拌的更加均匀。

 

2.4.3  配制后的注意事项

 

为确保胶粘剂能有效的溶合稀释,在搅拌混合后进行一段时间的持续搅拌,其中对于粉末状或固体胶粘剂,搅拌时间要大于4h;对于液态的胶粘剂,搅拌时间要大于2h

 

2.5  配制后胶粘剂的检测

 

胶粘剂配制完成后,需要对配制正确性进行验证,由于稀释剂在使用过程中会有部分挥发,所以有必要检测胶粘剂的配制质量,需要进行的检测项目有:密度检测、黏度检测、固含量检测(也称为“浓度检测”)、流量检测等。

 

2.6  粘接基材处理

 

1)处理粘接基材的必要性。使用胶粘剂之前,清理和预处理基材表面,是粘接工作必不可少的环节,对整个粘合过程十分关键。只有保证基材的表面足够清洁,包括物理与化学两方面,才能保证基材与橡胶、胶粘剂之间的紧密粘合,达到预想的粘合目标,保证粘合材料的使用质量与寿命。

 

2)喷砂处理。喷砂处理是最通用的,而且是效率最高、速度最快的处理方式。对于金属基材而言,喷砂处理可以去除金属表面的氧化皮层、锈迹、油污、粉尘杂质等,使金属基材表面有凹凸坑点增加表面粗糙度,增加胶粘剂与金属基材的接触表面积,使胶粘剂与金属基材浸润更充分、吸附更牢固。若采用手工打磨,虽然可以打磨出粗糙度适合的毛面,但速度较慢;若采用化学溶剂进行清洗,清洗后的表面则太过光滑,对涂层粘接不利。

 

2.7  胶粘剂预固化

 

涂覆完胶粘剂之后,因为稀释剂还没有挥发完全,并且胶粘剂和基材之间的吸附力还不稳定,所以要进行预固化。预固化的工艺根据不同的胶粘剂种类以及后期的硫化方式不同分为以下两种:①在较低的温度下,使稀释剂迅速在短时间挥发完全(即室温自然表干);②让胶粘剂和基材发生初始化学反应使其与基材先产生高强度粘接,提高抗冲刷、抗磕碰的能力,但又不能使胶粘剂发生完全反应,要使部分胶粘剂的活性键和橡胶产生部分初始交联。预固化过程中的控制要点是控制预固化的时间与温度,预先固化温度小于100℃较适宜,预先固化时间视基材大小尺寸而定。预固化后要密封保存,防止表面产生结晶水珠或产生污染影响粘接效果。

 

2.8  橡胶与金属热硫化

 

硫化三要素:温度、时间、压力对橡胶硫化交联反应至关重要,同理,硫化三要素对橡胶与金属硫化粘接也至关重要,胶粘剂在金属基材与橡胶之间同时发生复杂的物理、化学反应,起到桥梁纽带的连接作用,使橡胶与金属结合成为一个复合体。要发挥胶粘剂的粘接效能,使橡胶与金属粘接强度达到预期效果,必须合理选择硫化三要素。

 

1)硫化温度。过高的硫化温度会使橡胶与胶粘剂交联反应极易发生硫化还原,橡胶与胶粘剂正常的网络交联结构发生破坏从而降低橡胶与金属基体的粘接强度;过低的硫化温度不能同时激发橡胶、胶粘剂的反应活性,两者不能同步发生交联反应,降低了粘接效果。根据橡胶配方中的主体胶种不同,硫化温度适宜范围也不尽相同,常规主体胶种天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等分子链含多不饱和碳-- 碳双键的二烯烃橡胶硫化最高温度应<150三元乙丙橡胶、丁基橡胶等分子链含低不饱和碳--碳双键的 二烯烃橡胶硫化最高温度应<170特种橡胶如硅橡胶、氟橡胶等硫化最高温度应<200℃。

 

2)硫化时间。理论上硫化时间与胶料硫化仪T90 时间相等最为适宜,橡胶制品在实际生产当中对于形状、厚度尺寸、橡胶制品的构造、不同的中间夹层骨架材料等因素都是硫化过程热量由外部向中心传递的影响因素,硫化时间选取在胶料硫化仪T90时间基础上还应充分考虑这些因素。硫化时间选取视产品而定,以产品截面厚度为基本划分原则,大致可分两类。第一类截面厚度≤6mm硫化时间按胶料硫化仪T90时间。第二类截面厚度﹥6mm,厚度越厚硫化过程热量由外部向中心传递的时间越长,当制品中心温度达到最高温度后基本维持在此温度,将其称之为“中心温度 ”,制品中心的胶料在此温度中与胶粘剂发生交联反应,对于截面厚度﹥6mm 的橡胶制品而言,硫化时间制定依据这两个部分的时间来制定,第一部分是硫化过程中热量从制品外部向中心端传热到达“中心温度”所需时间,第二部分是胶料在“中心温度”中硫化仪的T90 时间。因此,截面厚度﹥6mm 的橡胶制品整体硫化时间应至少大于第一与第二部分的时间之和。

 

3)硫化压力。硫化压力越大,橡胶制品越密实,橡胶与胶粘剂交联反应后橡胶与金属的粘接强度越大,模压制品一般硫化压力选取范围在10 MPa~25MPa,产品不同、硫化机压力量程不同,所需的压力也不同。此外,采用注射方式生产的橡胶制品,注射压力及锁模后的压力根据实际生产设备及产品而定,原则上产品越大、胶料门尼粘度越大,注射压力及锁模后的压力越大。

 

2.9  粘接检测

 

理想的粘接状态就是两种材料经过粘接之后,粘接强力比材料本身强力大的现象,在实际生产当中可以通过对产品的实际剥离进行检测,或按一定的缩尺比例制成检测试样进行剥离检测,检测方法根据产品相关标准而定,产品要求不同检测方法不同。

 

3     结语

 

在橡胶制品的实际生产过程中如出现橡胶与金属粘接效果不佳,首先确认使用胶粘剂的过程是否像上述一样规范、胶粘剂选型是否正确;其次,橡胶制品的硫化三要素制定是否科学合理;最后,橡胶制品生产根据厂家的不同,工艺、设备、技术水平、产品性能要求也不尽相同,工程技术人员应根据实际要求进行研究试验,总结制定出适合本公司产品要求的生产工艺指导生产。在生产过程中,对过程进行严格把控,才能确保产品质量。


 

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