橡膠與金屬的粘合

歷史上，在橡膠工業(yè)中已經(jīng)采用了幾種粘合方法，以努力實(shí)現(xiàn)可靠和持久的橡膠與金屬的粘合。?現(xiàn)代粘合劑技術(shù)利用單涂層和兩涂層粘合劑配方，其優(yōu)先選擇取決于粘合組件的服務(wù)需求。?例如，對(duì)于涉及暴露于惡劣環(huán)境條件的應(yīng)用，例如汽車(chē)應(yīng)用，將優(yōu)選兩涂層系統(tǒng)。?在本文中，兩層系統(tǒng)將是重點(diǎn)。

兩層膠粘劑體系由底漆層和膠粘劑面漆組成。?底漆提供了一種在金屬基材上獲得牢固粘合力的方法，同時(shí)又提供了與面漆的必要反應(yīng)性。?底漆還提供了耐熱和耐腐蝕的性能，這對(duì)于涉及惡劣環(huán)境使用條件的應(yīng)用是理想的。?典型的底漆由成膜聚合物，可交聯(lián)樹(shù)脂，填料和溶劑或水基載體體系組成。

圖1-橡膠對(duì)金屬的粘合組件

將粘合劑面漆涂到干燥的底漆上。?面漆通常在模制過(guò)程中提供一種與彈性體主鏈中的不飽和反應(yīng)的方法。?面漆還必須與底漆層反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)粘合劑和底漆間涂層的粘合。?典型的粘合劑面漆將由固化劑，成膜聚合物，填料和載體體系組成。

在鍵合組件內(nèi)，每個(gè)界面處都會(huì)發(fā)生各種相互作用，從而實(shí)現(xiàn)整體粘合。?底漆與金屬的界面涉及底漆組分在金屬表面的吸附和/或螯合。?底漆-粘合劑界面通過(guò)各層內(nèi)各組分的吸附和/或擴(kuò)散獲得涂層間的粘合力。?反應(yīng)性面漆化學(xué)物質(zhì)交叉橋接到底漆和彈性體中也發(fā)生在這些各自層的界面的每一個(gè)處。?在粘合劑和底漆層內(nèi)，聚合物體系也發(fā)生內(nèi)部交聯(lián)。

粘合組件內(nèi)的組件層以這樣的方式排列：從底漆到彈性體，它們的模量逐漸減小。?在圖1所示的粘合組件中可以看到這一點(diǎn)。這種布置的原因是在基材和彈性體之間提供一個(gè)剛度變化的梯度，從而消除了尖銳的界面。

橡膠對(duì)金屬的粘合過(guò)程

穩(wěn)定的橡膠與金屬結(jié)合的組件的穩(wěn)定生產(chǎn)涉及五個(gè)基本概念的考慮：彈性體類(lèi)型，表面處理，底漆/粘合劑準(zhǔn)備和成型。?就重要性而言，每個(gè)步驟都是等效的，在設(shè)計(jì)和過(guò)程開(kāi)發(fā)階段，每個(gè)步驟都需要高度關(guān)注。?完善的過(guò)程控制計(jì)劃也將導(dǎo)致生產(chǎn)堅(jiān)固的粘合組件。?以下各節(jié)將詳細(xì)討論每個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)。

彈性體類(lèi)型決定合適的膠粘劑系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮的是要使用的彈性體類(lèi)型。?由于較高的極性和較高的不飽和度，某些彈性體被認(rèn)為比其他彈性體更易于粘結(jié)。?可以將其視為如圖2所示的可粘合性指數(shù)。有多種粘合劑配方可量身定制，以粘合不同類(lèi)型的通用和特種彈性體。

還應(yīng)考慮到配混在彈性體的粘合性中起重要作用。?關(guān)于填充劑的含量，填充劑的類(lèi)型和數(shù)量在可粘合性中起作用。?例如，通常發(fā)現(xiàn)具有小于40 phr（每100橡膠百分率）的炭黑的化合物比具有較高含量的化合物更難以粘結(jié)。?而且，在該化合物中包含粘土和二氧化硅傾向于有助于粘結(jié)。?化合物中的硫含量在鍵合性中也起著重要作用，因?yàn)閹缀鯖](méi)有硫或幾乎沒(méi)有硫的化合物可能很難鍵合。?已發(fā)現(xiàn)化合物中至少1 phr的硫可促進(jìn)鍵合。?還需要注意化合物中使用的各種促進(jìn)劑，油，增量劑和抗降解劑的結(jié)合作用。

表面處理粘接過(guò)程中的下一個(gè)基本要素是金屬基板的表面處理。?正確準(zhǔn)備的金屬表面是獲得最佳粘合性能的重要步驟。?制備金屬表面的第一步是從表面除去所有加工油和潤(rùn)滑劑。?這可以通過(guò)使用溶劑脫脂方法或堿性清潔工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。?還需要從金屬表面去除不溶性材料，例如鐵銹。?這可以通過(guò)使用機(jī)械處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如用鋼或氧化鋁砂噴砂，研磨或機(jī)械加工。

通常，零件應(yīng)用需要暴露在惡劣的環(huán)境中。?在這種情況下，可能需要對(duì)金屬進(jìn)行化學(xué)處理以防止氧化。?金屬的化學(xué)處理通常以鋼的磷酸鋅或磷酸鐵，不銹鋼的酸蝕刻和鋁的鉻酸鹽滲鋁或陽(yáng)極氧化工藝的形式進(jìn)行。?這種化學(xué)金屬處理還可以保護(hù)鍵的完整性。?準(zhǔn)備好金屬零件后，建議盡快涂底漆。?如果必須在準(zhǔn)備零件和底漆零件之間進(jìn)行交接，則重要的是防止金屬表面受到污染。

底漆/粘合劑制備粘合過(guò)程的下一步是確保底漆和粘合劑準(zhǔn)備就緒。?在準(zhǔn)備使用的膠粘劑系統(tǒng)時(shí)，首先必須使材料達(dá)到預(yù)期的工作溫度。?這一點(diǎn)很重要，因?yàn)闇囟葧?huì)影響產(chǎn)品的粘度。?在使用過(guò)程中和使用過(guò)程中正確攪拌底漆和粘合劑也非常重要。?這使得沉降的成分在施用期間變得均勻地分散在整個(gè)產(chǎn)品中。?溶劑型物料的攪拌可以通過(guò)混合或搖動(dòng)進(jìn)行。?水基系統(tǒng)只能以低速（20-30 rpm）混合，以防止起泡。?出于相同的原因，決不能動(dòng)搖水基系統(tǒng)。?溶劑型系統(tǒng)應(yīng)使用防爆設(shè)備以40-60 rpm的速度混合。?表1給出了混合溶劑型粘合劑體系的典型指南。

最后，根據(jù)所選的涂覆方法，可能有必要用推薦的稀釋劑稀釋粘合劑體系。?稀釋至合適的產(chǎn)品粘度對(duì)于建立可控制的過(guò)程至關(guān)重要，在該過(guò)程中可獲得合適的膜厚。?當(dāng)稀釋底漆或粘合劑時(shí)，重要的是緩慢添加稀釋劑以防止材料。?這可能導(dǎo)致材料發(fā)生不可逆的膠凝或相分離。

底漆/粘合劑應(yīng)用要討論的粘合過(guò)程的下一個(gè)方面是底漆和粘合劑體系的應(yīng)用。?可以使用幾種涂布底漆和面漆的方法。?這些包括噴涂，浸涂，刷涂和輥涂。?無(wú)論選擇哪種方法，重要的是利用一種方法，在該方法中可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳推薦干膜厚度。?通常，為獲得最佳粘合性能，推薦的干膜厚度對(duì)于底漆為0.005-0.010 mm，對(duì)于粘合劑為0.015-0.020 mm。?對(duì)于硫化后粘合應(yīng)用，建議增加面漆干膜厚度（0.02-0.038 mm）。

施加基于溶劑的粘合劑系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)操作是將底漆施加到制備的金屬上，干燥底漆，施加粘合劑面漆，然后干燥面漆。?水性系統(tǒng)需要在使用前對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)熱；?推薦的金屬表面目標(biāo)溫度為322.15-333.15K。?這些材料的干燥可以在室溫下進(jìn)行，也可以通過(guò)使用溫度為338.15-366.15K的循環(huán)空氣烤箱來(lái)加速。?重要的是不允許零件的表面溫度超過(guò)393.15K，因?yàn)檫@會(huì)過(guò)早地粘合。?圖3顯示了典型的溶劑型粘合劑噴涂應(yīng)用的示意圖。

在施加粘合劑體系之后，重要的是在處理涂層部件時(shí)要小心，以免粘合劑表面被污染。?因此，搬運(yùn)零件時(shí)應(yīng)使用棉手套。?涂覆后盡快成型零件也很重要。?但是，如果需要停工，則應(yīng)將零件存儲(chǔ)在密封的容器中，以使它們不會(huì)暴露于污染物和紫外線。?應(yīng)聯(lián)系膠粘劑制造商，以獲取有關(guān)涂層零件最大放置時(shí)間的指導(dǎo)。

成型橡膠對(duì)金屬零件通常通過(guò)注塑，傳遞模塑或壓縮模塑工藝來(lái)制造。?高壓滅菌和無(wú)壓蒸汽成型也用于某些特殊應(yīng)用中。?在模制過(guò)程中，必須仔細(xì)定義參數(shù)，以使彈性體硫化和粘合劑固化同時(shí)發(fā)生。?另外，在成型周期中必須使彈性體和粘合劑緊密接觸。?這是通過(guò)優(yōu)化成型壓力和彈性體粘度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。?這允許彈性體在粘合劑表面上適當(dāng)潤(rùn)濕。?在整個(gè)模制周期中，還必須確保在每個(gè)模腔中保持均勻的溫度。?溫度變化可能會(huì)導(dǎo)致潛在的鍵失效。

模制過(guò)程的另一個(gè)重要方面涉及將涂層零件裝入模具型腔時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱。?這就是所謂的預(yù)烤。?對(duì)于成型工藝而言，優(yōu)化涂層零件的預(yù)烘烤條件非常重要。?在某些情況下，熱量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致膠粘劑系統(tǒng)過(guò)早固化。?在其他情況下，缺乏預(yù)烘烤可能會(huì)阻止粘合劑在成型周期中活化。?裝載板的使用可以幫助確保在多個(gè)型腔模具中對(duì)所有零件進(jìn)行相同時(shí)間的預(yù)烘烤。

模制步驟對(duì)于獲得高質(zhì)量的粘結(jié)至關(guān)重要，因?yàn)閺椥泽w和粘合劑系統(tǒng)都依賴于這一步驟來(lái)相互固化/硫化。?在此步驟中缺少可變控制可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)零星的鍵故障。

測(cè)試/故障排除

通常根據(jù)ASTM D 429-14的指導(dǎo)進(jìn)行橡膠與金屬的粘結(jié)性能測(cè)試?。?該測(cè)試方法描述了八種類(lèi)型的試樣和方法（方法A至H），可用于粘合評(píng)估。?在測(cè)試方法中還可以識(shí)別粘合失敗類(lèi)型。?“ R”被指定為橡膠破壞；?對(duì)于粘合組件，這是理想的破壞模式，因?yàn)檫@表明破壞發(fā)生在橡膠層內(nèi)。?“ RC”表示該故障發(fā)生在橡膠與水泥（粘合劑）界面處。?“ CP”是在水泥（膠粘劑）和底漆界面處失敗，而“ CM”是在水泥（膠粘劑）和金屬界面或金屬與底漆界面處失敗。?這些故障類(lèi)型的示例如圖4所示。

圖4

利用這種命名法來(lái)確定故障模式，技術(shù)人員可以進(jìn)行更有針對(duì)性的故障排除評(píng)估并確定可能的根本原因。?已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)50％的粘結(jié)失效是RC失效，大約30％是CM失效，其余是CP和內(nèi)聚失效的組合（內(nèi)聚失效是底漆或粘合層內(nèi)的斷裂）。?應(yīng)當(dāng)指出，該領(lǐng)域的絕大多數(shù)失敗是由于底漆和/或面漆的干膜厚度不足。?這用于指出控制給定部件上的粘合劑膜厚度的重要性。

摘要

橡膠與金屬的粘合劑體系傳統(tǒng)上是兩層體系，涉及底漆和面漆/粘合劑，可用于將多種彈性體粘合到基材（通常是金屬）上。?粘附的機(jī)理取決于金屬，底漆，粘合劑和彈性體的界面之間發(fā)生的各種相互作用。?為了使膠粘劑系統(tǒng)執(zhí)行其功能，必須正確利用它。?這涉及橡膠與金屬粘合的五個(gè)基本方面的考慮：彈性體類(lèi)型，金屬制備方法，底漆/膠粘劑制備，底漆/膠粘劑施加和成型操作。?注意有關(guān)橡膠與金屬粘合過(guò)程的各個(gè)方面的細(xì)節(jié)將使粘合操作穩(wěn)健，并且成品部件可靠。