粘合科学-橡胶与金属的粘合

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背景-橡胶与金属的粘接

工程橡胶到金属器件为汽车,工业和航空航天应用提供了关键的性能属性。 这些关键部件依赖于在橡胶和底材(通常是金属)之间形成的可靠结合,以便成功地使用。 历史上,已经采用了几种方法来努力实现可靠的橡胶与金属的结合。 最初的工作是利用硬脂石,黄铜镀层,多层粘结层和多异氰酸酯作为粘结手段; 但是,这些方法各有其缺点。

1956年,当LORD公司将其Chemlok®205/220系统商业化时,橡胶与金属的粘合有了实质性的进步。 这种底漆/胶粘剂体系可以粘合到各种可用的弹性体上,同时可以显着提高服务性能。 自此以来,橡胶对金属粘合剂系统已取得了许多进步,可满足其服务市场不断变化的需求。

如今,橡胶对金属粘合剂可以多种形式在市场上买到,以满足最终用户的需求。 可以使用一组分系统和二组分系统,它们可分为以下类别:溶剂型,低HAP(有害空气污染物),环保型和水性(水基)。 材料工程师必须仔细考虑为他们的应用选择合适的胶粘剂系统的重要性,因为这些胶粘剂必须能够承受潜在的恶劣暴露环境。 本页将讨论橡胶与金属粘合中涉及的粘合科学,并提供实现橡胶与金属牢固粘合的一些一般注意事项。

橡胶与金属的粘合

历史上,在橡胶工业中已经采用了几种粘合方法,以努力实现可靠和持久的橡胶与金属的粘合。 现代粘合剂技术利用单涂层和两涂层粘合剂配方,其优先选择取决于粘合组件的服务需求。 例如,对于涉及暴露于恶劣环境条件的应用,例如汽车应用,将优选两涂层系统。 在本文中,两层系统将是重点。

两层胶粘剂体系由底漆层和胶粘剂面漆组成。 底漆提供了一种在金属基材上获得牢固粘合力的方法,同时又提供了与面漆的必要反应性。 底漆还提供了耐热和耐腐蚀的性能,这对于涉及恶劣环境使用条件的应用是理想的。 典型的底漆由成膜聚合物,可交联树脂,填料和溶剂或水基载体体系组成。

图1-橡胶对金属的粘合组件

粘合科学-橡胶与金属的粘合将粘合剂面漆涂到干燥的底漆上。 面漆通常在模制过程中提供一种与弹性体主链中的不饱和反应的方法。 面漆还必须与底漆层反应,以实现粘合剂和底漆间涂层的粘合。 典型的粘合剂面漆将由固化剂,成膜聚合物,填料和载体体系组成。

在键合组件内,每个界面处都会发生各种相互作用,从而实现整体粘合。 底漆与金属的界面涉及底漆组分在金属表面的吸附和/或螯合。 底漆-粘合剂界面通过各层内各组分的吸附和/或扩散获得涂层间的粘合力。 反应性面漆化学物质交叉桥接到底漆和弹性体中也发生在这些各自层的界面的每一个处。 在粘合剂和底漆层内,聚合物体系也发生内部交联。

粘合组件内的组件层以这样的方式排列:从底漆到弹性体,它们的模量逐渐减小。 在图1所示的粘合组件中可以看到这一点。这种布置的原因是在基材和弹性体之间提供一个刚度变化的梯度,从而消除了尖锐的界面。

橡胶对金属的粘合过程

稳定的橡胶与金属结合的组件的稳定生产涉及五个基本概念的考虑:弹性体类型,表面处理,底漆/粘合剂准备和成型。 就重要性而言,每个步骤都是等效的,在设计和过程开发阶段,每个步骤都需要高度关注。 完善的过程控制计划也将导致生产坚固的粘合组件。 以下各节将详细讨论每个基础知识。

弹性体类型决定合适的胶粘剂系统时,首先要考虑的是要使用的弹性体类型。 由于较高的极性和较高的不饱和度,某些弹性体被认为比其他弹性体更易于粘结。 可以将其视为如图2所示的可粘合性指数。有多种粘合剂配方可量身定制,以粘合不同类型的通用和特种弹性体。

粘合科学-橡胶与金属的粘合还应考虑到配混在弹性体的粘合性中起重要作用。 关于填充剂的含量,填充剂的类型和数量在可粘合性中起作用。 例如,通常发现具有小于40 phr(每100橡胶百分率)的炭黑的化合物比具有较高含量的化合物更难以粘结。 而且,在该化合物中包含粘土和二氧化硅倾向于有助于粘结。 化合物中的硫含量在键合性中也起着重要作用,因为几乎没有硫或几乎没有硫的化合物可能很难键合。 已发现化合物中至少1 phr的硫可促进键合。 还需要注意化合物中使用的各种促进剂,油,增量剂和抗降解剂的结合作用。

表面处理粘接过程中的下一个基本要素是金属基板的表面处理。 正确准备的金属表面是获得最佳粘合性能的重要步骤。 制备金属表面的第一步是从表面除去所有加工油和润滑剂。 这可以通过使用溶剂脱脂方法或碱性清洁工艺来实现。 还需要从金属表面去除不溶性材料,例如铁锈。 这可以通过使用机械处理方法来实现,例如用钢或氧化铝砂喷砂,研磨或机械加工。

通常,零件应用需要暴露在恶劣的环境中。 在这种情况下,可能需要对金属进行化学处理以防止氧化。 金属的化学处理通常以钢的磷酸锌或磷酸铁,不锈钢的酸蚀刻和铝的铬酸盐渗铝或阳极氧化工艺的形式进行。 这种化学金属处理还可以保护键的完整性。 准备好金属零件后,建议尽快涂底漆。 如果必须在准备零件和底漆零件之间进行交接,则重要的是防止金属表面受到污染。

底漆/粘合剂制备粘合过程的下一步是确保底漆和粘合剂准备就绪。 在准备使用的胶粘剂系统时,首先必须使材料达到预期的工作温度。 这一点很重要,因为温度会影响产品的粘度。 在使用过程中和使用过程中正确搅拌底漆和粘合剂也非常重要。 这使得沉降的成分在施用期间变得均匀地分散在整个产品中。 溶剂型物料的搅拌可以通过混合或摇动进行。 水基系统只能以低速(20-30 rpm)混合,以防止起泡。 出于相同的原因,决不能动摇水基系统。 溶剂型系统应使用防爆设备以40-60 rpm的速度混合。 表1给出了混合溶剂型粘合剂体系的典型指南。

粘合科学-橡胶与金属的粘合

最后,根据所选的涂覆方法,可能有必要用推荐的稀释剂稀释粘合剂体系。 稀释至合适的产品粘度对于建立可控制的过程至关重要,在该过程中可获得合适的膜厚。 当稀释底漆或粘合剂时,重要的是缓慢添加稀释剂以防止材料。 这可能导致材料发生不可逆的胶凝或相分离。

底漆/粘合剂应用要讨论的粘合过程的下一个方面是底漆和粘合剂体系的应用。 可以使用几种涂布底漆和面漆的方法。 这些包括喷涂,浸涂,刷涂和辊涂。 无论选择哪种方法,重要的是利用一种方法,在该方法中可以实现系统的最佳推荐干膜厚度。 通常,为获得最佳粘合性能,推荐的干膜厚度对于底漆为0.005-0.010 mm,对于粘合剂为0.015-0.020 mm。 对于硫化后粘合应用,建议增加面漆干膜厚度(0.02-0.038 mm)。

施加基于溶剂的粘合剂系统的标准操作是将底漆施加到制备的金属上,干燥底漆,施加粘合剂面漆,然后干燥面漆。 水性系统需要在使用前对金属进行预热; 推荐的金属表面目标温度为322.15-333.15K。 这些材料的干燥可以在室温下进行,也可以通过使用温度为338.15-366.15K的循环空气烤箱来加速。 重要的是不允许零件的表面温度超过393.15K,因为这会过早地粘合。 图3显示了典型的溶剂型粘合剂喷涂应用的示意图。

粘合科学-橡胶与金属的粘合

在施加粘合剂体系之后,重要的是在处理涂层部件时要小心,以免粘合剂表面被污染。 因此,搬运零件时应使用棉手套。 涂覆后尽快成型零件也很重要。 但是,如果需要停工,则应将零件存储在密封的容器中,以使它们不会暴露于污染物和紫外线。 应联系胶粘剂制造商,以获取有关涂层零件最大放置时间的指导。

成型橡胶对金属零件通常通过注塑,传递模塑或压缩模塑工艺来制造。 高压灭菌和无压蒸汽成型也用于某些特殊应用中。 在模制过程中,必须仔细定义参数,以使弹性体硫化和粘合剂固化同时发生。 另外,在成型周期中必须使弹性体和粘合剂紧密接触。 这是通过优化成型压力和弹性体粘度来实现的。 这允许弹性体在粘合剂表面上适当润湿。 在整个模制周期中,还必须确保在每个模腔中保持均匀的温度。 温度变化可能会导致潜在的键失效。

模制过程的另一个重要方面涉及将涂层零件装入模具型腔时对其进行加热。 这就是所谓的预烤。 对于成型工艺而言,优化涂层零件的预烘烤条件非常重要。 在某些情况下,热量过多会导致胶粘剂系统过早固化。 在其他情况下,缺乏预烘烤可能会阻止粘合剂在成型周期中活化。 装载板的使用可以帮助确保在多个型腔模具中对所有零件进行相同时间的预烘烤。

模制步骤对于获得高质量的粘结至关重要,因为弹性体和粘合剂系统都依赖于这一步骤来相互固化/硫化。 在此步骤中缺少可变控制可能会导致现场零星的键故障。

测试/故障排除

通常根据ASTM D 429-14的指导进行橡胶与金属的粘结性能测试 。 该测试方法描述了八种类型的试样和方法(方法A至H),可用于粘合评估。 在测试方法中还可以识别粘合失败类型。 “ R”被指定为橡胶破坏; 对于粘合组件,这是理想的破坏模式,因为这表明破坏发生在橡胶层内。 “ RC”表示该故障发生在橡胶与水泥(粘合剂)界面处。 “ CP”是在水泥(胶粘剂)和底漆界面处失败,而“ CM”是在水泥(胶粘剂)和金属界面或金属与底漆界面处失败。 这些故障类型的示例如图4所示。

图4

粘合科学-橡胶与金属的粘合

利用这种命名法来确定故障模式,技术人员可以进行更有针对性的故障排除评估并确定可能的根本原因。 已经发现,超过50%的粘结失效是RC失效,大约30%是CM失效,其余是CP和内聚失效的组合(内聚失效是底漆或粘合层内的断裂)。 应当指出,该领域的绝大多数失败是由于底漆和/或面漆的干膜厚度不足。 这用于指出控制给定部件上的粘合剂膜厚度的重要性。

摘要

橡胶与金属的粘合剂体系传统上是两层体系,涉及底漆和面漆/粘合剂,可用于将多种弹性体粘合到基材(通常是金属)上。 粘附的机理取决于金属,底漆,粘合剂和弹性体的界面之间发生的各种相互作用。 为了使胶粘剂系统执行其功能,必须正确利用它。 这涉及橡胶与金属粘合的五个基本方面的考虑:弹性体类型,金属制备方法,底漆/胶粘剂制备,底漆/胶粘剂施加和成型操作。 注意有关橡胶与金属粘合过程的各个方面的细节将使粘合操作稳健,并且成品部件可靠。

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