骨架表面处理对金属橡胶制品性能的影响

    在汽车工业中，橡胶与金属的粘合是很普遍的，骨架油封、发动机及变速箱支承、摆壁衬套、车身支撑等都是典型的金属——橡胶结构。金属和橡胶的结合强度对产品的性能有着至关重要的影响。金属橡胶件的寿命很大程度上取决于两种材料的粘接质量。粘接技术因此成为许多工厂的研究课题。

    众所周知，增大粘接面的表面积及静电吸附力、提高粘接材料之间的化学作用力是获得高粘接强度的关键。本文通过对金属粘合表面不同处理工艺的试验，得出了操作方便、经济性好、粘接性能优异的骨架表面处理方法。

    一、实验

    1.主要材料

    CHEMLOK 252上海洛德公司产品；CHEMLOK 205上海洛德公司产品；10^#钢；20目石英砂；天然胶SCR5海南天然胶联合产业集团；丁腈胶N41兰州化学工业公司。

    2.设备

    普压干喷砂机(空气压力>0.6MPa)；磷化处理线；400×400电热平板硫化机；0-200℃老化箱；0-2500N电子拉机。

    3.粘接橡胶基本配方

    天然胶SCR5 100；硬脂酸1；氧化锌(间接法)5；防老剂3；防护蜡4；软化剂10；炭黑70；硫黄2；促进剂1.5。

    丁腈胶N41 10；硬脂酸1；氧化锌(间接法)5；防老剂3；聚酯增塑剂10；炭黑60；DCP 1.5；硫黄0.5；促进剂1.5。

    粘合剂：①单涂氧化锌(间接法)；②底涂CHEM-LOK 205,面涂CHEMLOK 252。

    4.粘接橡胶的常规机械性能

    天然胶邵尔A型硬度65度，拉伸强度22MPa，拉断伸长率450%。

    丁腈胶邵尔A型硬度70度，拉伸强度24MPa，拉断伸长率340%。

    5.试样制备

    ①在K360×160开放式炼胶机上将配方物料混合均匀；②试块表面处理；③在400×400电热平板硫化机上压制试样；④试样制备工艺。

    NR硫化工艺条件为155℃×6min。

    NBR硫化工艺条件为160℃×6min。

    6.测试

    按GB/T 13936标准对已硫化的试样进行测试。

    二、实验数据

    骨架不同表面处理方法下的粘结强度见表1，骨架不同后处理工艺下的粘结强度见表2，双涂层粘合体系下不同骨架表面处理方法的粘结强度见表3，粘合剂涂层厚度对粘结强度的影响见表4。

    表1  骨架不同表面处理方法下的粘结强度

    表2  骨架不同后处理工艺下的粘结强度

    表3  双涂层粘合体系下不同骨架表面处理方法的粘结强度

    表4  粘合剂涂层厚度对粘结强度的影响

    三、分析讨论

    1.橡胶材料与金属(或非金属)的粘接，都要依赖于材料本身与骨架层之间形成一定的化学作用力或物理吸附力(包括机构镶嵌)。但是由于被粘接的两种材料间结构及极性相差较大，很难形成化学键，而且物理吸附力也很弱，如何增强被粘材料表面之间的亲和力就显得尤为重要。

    (1)从试验结果来看，只是对金属表面进行去油处理而未进行其它处理的试样几乎没有粘接强度。去油后的骨架进行磷化处理和喷砂处理的试样都获得了较高的粘接强度(见表1)。喷砂是通过高强度的砂粒对金属表面形成了不规则的凹凸面，增大了粘接面积并形成了机械镶嵌，增加了粘合表面的阻力及吸附力，从而达到提高粘接强度的作用。

    (2)与喷砂的物理作用不同，磷化是通过化学作用在金属骨架表面形成一联接骨架与橡胶的亲合层(磷酸锌盐的络合物)，通过化学作用力来达到粘接的效果。

    (3)数据反应，喷砂后再磷化处理的骨架粘合效果最好，无论是理论还是实验结果都表明了单一的表面处理都有一定的局限性，机械喷砂与化学处理相结合才能达到最佳的粘合效果。

    2.粘合剂涂好后进行后处理，对于提高粘结强度大有好处。在试验中发现，涂粘合剂后稍做停放即压制试样，不但粘结强度不理想，同时有局部脱粘现象，但如果停放一段时间(12h)，粘合效果明显改善，但是试样断层不均匀，有的地方粘接良好，局部地方几乎未粘，甚至有些部位发脆。主要原因是试样成型时，粘合剂受热后在橡胶层的挤压下流动而导致涂层不均匀；另外，粘合剂中的溶剂没有完全挥发，也有可能使产品在硫化过程中产生气泡而脱层。在实验中，对涂粘合剂的骨架在70℃-80℃温度下热处理20分钟，使粘合剂涂层轻微交联，粘合强度及效果达到最佳状态，且质量稳定。

    3.除了表面处理与后处理，涂层的厚度与均匀度对粘合强度也有较大的影响，涂层太薄，粘合不能完全分散于骨架表面，且亲合力不够，无法提供足够的粘接强度。涂层过厚，过多的粘合剂易堆积在一起，难以分散均匀，容易产生气泡，脱层现象，同时粘合剂过多时，粘接层易发脆，从而导致粘接强度下降。

    四、结论

    1.橡胶与骨架材料的粘接，尤其是悬置、衬套、支承等件，骨架表面处理极为重要，最好的粘结效果是：喷砂+磷化处理并辅以溶剂去油处理。

    2.对于不与空气接触的骨架(全包)材料，可以在溶剂处理后喷砂处理，但强度要稍差一些。

    3.骨架表面涂粘合剂后一定要进行后处理，较为理想的工艺是在80℃左右温度下烘干15-20分钟。

    4.粘合剂的涂层厚度一定要控制，使用单涂层粘合时，涂层厚度以15-20μm为宜；使用双涂层粘合时，每层厚度以10-12μm，总厚度为20-25μm为宜。

    5.采用双涂层粘合工艺，更容易获得好的粘合性能。