天然橡膠與金屬熱硫化粘接工藝研究

孫永國, 韓文彬, 姚其勝

（上?？颠_(dá)化工新材料股份有限公司, 上海 201201）

0 前 言

目前，橡膠硫化粘接復(fù)合體系已被廣泛應(yīng)用到許多工業(yè)領(lǐng)域，如在汽車NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）、機(jī)車及鐵路減振、港口碼頭及油田的防護(hù)及化工產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域中，要求部分零部件兼具剛性和彈性，以降低設(shè)備使用過程中產(chǎn)生的摩擦、噪音、振動(dòng)，提升密封性能，增強(qiáng)防腐能力。

同時(shí)由于天然橡膠在常溫下具有較高的彈性，還稍帶點(diǎn)塑性，具有非常好的力學(xué)強(qiáng)度，滯后損失小，在多次變形時(shí)生熱低，耐屈撓性好，并且因?yàn)槭欠菢O性橡膠，其電絕緣性能也好。尤其其還具有優(yōu)良的回彈性、絕緣性、隔水性及可塑性等特性，并且經(jīng)過適當(dāng)處理后還具有耐油、耐酸、耐堿、耐熱、耐寒、耐壓、耐磨等寶貴性質(zhì)，因此被廣泛用于上述領(lǐng)域。

橡膠和金屬是差別極大的兩種材質(zhì)，膠粘劑作為二者的粘接過渡層，對性能的要求非常高。在橡膠與金屬的粘接過程中，由于橡膠存在流動(dòng)性、變形性，因此其粘接機(jī)理較為復(fù)雜。對于橡膠與金屬的粘接機(jī)理，目前主要的粘接理論有吸附理論、機(jī)械作用理論、擴(kuò)散滲透理論、靜電理論、電磁理論、共交聯(lián)理論等[1-2]。在選擇優(yōu)異的膠粘劑的同時(shí)，一個(gè)適當(dāng)?shù)牧蚧に嚄l件不僅能提高工作效率，而且能節(jié)約成本、降低廢品率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

二甲苯，金山石化；甲基異丁基甲酮，昆山誠信化輕材料有限公司；氯化橡膠，拜爾材料科技（上海）管理有限公司；酚醛樹脂，自制；炭黑N774，卡博特；鈦白粉R930，日本石原；促進(jìn)劑，自制；氧化鋅，上海京華化工廠；四氯乙烯，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；天然橡膠混煉膠，蘇州同捷斯材料科技有限公司；45#鋼。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

經(jīng)過多次配方優(yōu)化及工藝試驗(yàn)，最終確定了膠粘劑的配方（單位：份）：底膠為二甲苯 25，氯化橡膠 5，甲基異丁基甲酮 50，酚醛樹脂 10，炭黑 2，鈦白粉 3；面膠為二甲苯 50，四氯乙烯25，炭黑 2，氯化橡膠 15，氧化鋅 6，促進(jìn)劑 2。

1.3 主要儀器與設(shè)備

DSC 1型差示掃描量熱儀，METTLER TOLEDO公司；DEF-6020型干燥箱，上海慧泰儀器制造有限公司；MCR型流變儀，Anton Paar公司；平板硫化機(jī)，上海齊才液壓機(jī)械有限公司；CMT型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思材料檢測有限公司；6050A噴砂機(jī)，世銳機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.4 工藝流程

1.5 性能測試

試樣的性能按照GB/T 7760—2003標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 膠粘劑性能分析

將面膠倒在玻璃板上，自然晾干。用所得到的干膜作為DSC的分析試樣。DSC曲線詳見圖1。

從圖1中可以看出：DSC曲線開始偏離基線，表明硫化反應(yīng)開始；放熱峰所對應(yīng)的溫度說明在這一溫度附近硫化反應(yīng)速度最快。膠粘劑的活化反應(yīng)溫度在120～210 ℃，最大反應(yīng)活性溫度在198 ℃。由此可以看出該膠粘劑的使用溫度為120～210 ℃，適用溫度范圍較廣。

2.2 橡膠性能測試

本試驗(yàn)選用蘇州同捷斯材料科技有限公司生產(chǎn)的天然橡膠混煉膠。圖2所示為不同溫度下天然橡膠混煉膠貯能模量G'隨時(shí)間的變化。

圖1 所制膠粘劑面膠的DSC掃描分析

從圖2可以看出：在不同溫度下達(dá)到最佳硫化所需的時(shí)間不同，從右到左的曲線所示分別為130～180 ℃條件下的橡膠特性。從中可見：溫度越高，硫化時(shí)間越短。但在不同溫度下硫化時(shí)橡膠表現(xiàn)出的貯能模量G'也不相同，溫度越低則最終的G'越高。我們都知道，低溫長時(shí)間硫化可以保證橡膠的優(yōu)良性能。

圖2 不同溫度下天然橡膠混煉膠貯能模量G'隨時(shí)間的變化

2.3 橡膠硫化粘接性能測試

2.3.1 不同溫度對粘接性能的影響

在壓力15 MPa、溫度130～190 ℃條件下硫化膠料20 min，可以得出如表1所示的物理性能數(shù)據(jù)。

從表1可見：在130～190 ℃范圍內(nèi)，硫化溫度對膠粘劑粘接活性的影響不大，都有較好的粘接力，但是溫度對橡膠的影響較大，高溫硫化時(shí)交聯(lián)密度下降，溫度越高，橡膠自身的力學(xué)性能下降越大。

表1 不同溫度對粘接性能的影響

2.3.2 不同硫化時(shí)間對粘接性能的影響

在壓力15 MPa、溫度150 ℃條件下硫化膠料8～60 min，可以得出如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 不同硫化時(shí)間對粘接性能的影響

交聯(lián)和氧化斷鏈兩種反應(yīng)貫穿于橡膠硫化過程的始終，隨著時(shí)間的推移，天然橡膠由于氧化斷鏈反應(yīng)程度較強(qiáng)，其各項(xiàng)物理性能下降，與圖2的測試結(jié)果相呼應(yīng)。所以在150 ℃條件下最佳硫化粘接時(shí)間為8～30 min。

2.3.3 不同工藝條件對粘接性能的影響

根據(jù)圖2的性能測試結(jié)果，在15 MPa壓力下，以采用不同溫度下達(dá)到最佳硫化粘接效果的最少時(shí)間作為硫化時(shí)間，可以得出表3所示數(shù)據(jù)。

由圖2及表3可見：隨著溫度的升高，所需要的硫化粘接時(shí)間大大縮短，可以大幅度提高實(shí)際生產(chǎn)的工作效率。當(dāng)溫度超過190 ℃時(shí)，短時(shí)間內(nèi)橡膠分子鏈就會(huì)發(fā)生熱裂解，力學(xué)性能急劇下降，導(dǎo)致橡膠拉斷。

表3 不同工藝條件對粘接性能的影響

3 結(jié) 論

所研制的熱硫化膠粘劑適用范圍廣，在用于天然橡膠與金屬的粘接時(shí)，要注意根據(jù)混煉膠自身的特性來選擇相應(yīng)的工藝條件。硫化溫度和硫化時(shí)間對其粘合強(qiáng)度有明顯的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)混煉膠的配方和設(shè)備的產(chǎn)能優(yōu)化合適的硫化條件，以滿足生產(chǎn)的實(shí)際需求。

[1]李昂. 粘接與膠粘劑[J]. 特種橡膠制品, 2003, 24(6):58-61.

[2]夏文干, 蔡武峰, 林德寬. 膠接手冊[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 1989.