橡膠與金屬的粘合

歷史上，在橡膠工業中已經采用了幾種粘合方法，以努力實現可靠和持久的橡膠與金屬的粘合。?現代粘合劑技術利用單涂層和兩涂層粘合劑配方，其優先選擇取決于粘合組件的服務需求。?例如，對于涉及暴露于惡劣環境條件的應用，例如汽車應用，將優選兩涂層系統。?在本文中，兩層系統將是重點。

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，同時又提供了與面漆的必要反應性。?底漆還提供了耐熱和耐腐蝕的性能，這對于涉及惡劣環境使用條件的應用是理想的。?典型的底漆由成膜聚合物，可交聯樹脂，填料和溶劑或水基載體體系組成。

圖1-橡膠對金屬的粘合組件

將粘合劑面漆涂到干燥的底漆上。?面漆通常在模制過程中提供一種與彈性體主鏈中的不飽和反應的方法。?面漆還必須與底漆層反應，以實現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，每個界面處都會發生各種相互作用，從而實現整體粘合。?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-粘合劑界面通過各層內各組分的吸附和/或擴散獲得涂層間的粘合力。?反應性面漆化學物質交叉橋接到底漆和彈性體中也發生在這些各自層的界面的每一個處。?在粘合劑和底漆層內，聚合物體系也發生內部交聯。

粘合組件內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。這種布置的原因是在基材和彈性體之間提供一個剛度變化的梯度，從而消除了尖銳的界面。

橡膠對金屬的粘合過程

穩定的橡膠與金屬結合的組件的穩定生產涉及五個基本概念的考慮：彈性體類型，表面處理，底漆/粘合劑準備和成型。?就重要性而言，每個步驟都是等效的，在設計和過程開發階段，每個步驟都需要高度關注。?完善的過程控制計劃也將導致生產堅固的粘合組件。?以下各節將詳細討論每個基礎知識。

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

還應考慮到配混在彈性體的粘合性中起重要作用。?關于填充劑的含量，填充劑的類型和數量在可粘合性中起作用。?例如，通常發現具有小于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。?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。?化合物中的硫含量在鍵合性中也起著重要作用，因為幾乎沒有硫或幾乎沒有硫的化合物可能很難鍵合。?已發現化合物中至少1 phr的硫可促進鍵合。?還需要注意化合物中使用的各種促進劑，油，增量劑和抗降解劑的結合作用。

表面處理粘接過程中的下一個基本要素是金屬基板的表面處理。?正確準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滑劑。?這可以通過使用溶劑脫脂方法或堿性清潔工藝來實現。?還需要從金屬表面去除不溶性材料，例如鐵銹。?這可以通過使用機械處理方法來實現，例如用鋼或氧化鋁砂噴砂，研磨或機械加工。

通常，零件應用需要暴露在惡劣的環境中。?在這種情況下，可能需要對金屬進行化學處理以防止氧化。?金屬的化學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極氧化工藝的形式進行。?這種化學金屬處理還可以保護鍵的完整性。?準備好金屬零件后，建議盡快涂底漆。?如果必須在準備零件和底漆零件之間進行交接，則重要的是防止金屬表面受到污染。

底漆/粘合劑制備粘合過程的下一步是確保底漆和粘合劑準備就緒。?在準備使用的膠粘劑系統時，首先必須使材料達到預期的工作溫度。?這一點很重要，因為溫度會影響產品的粘度。?在使用過程中和使用過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產品中。?溶劑型物料的攪拌可以通過混合或搖動進行。?水基系統只能以低速（20-30 rpm）混合，以防止起泡。?出于相同的原因，決不能動搖水基系統。?溶劑型系統應使用防爆設備以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。?稀釋至合適的產品粘度對于建立可控制的過程至關重要，在該過程中可獲得合適的膜厚。?當稀釋底漆或粘合劑時，重要的是緩慢添加稀釋劑以防止材料。?這可能導致材料發生不可逆的膠凝或相分離。

底漆/粘合劑應用要討論的粘合過程的下一個方面是底漆和粘合劑體系的應用。?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，在該方法中可以實現系統的最佳推薦干膜厚度。?通常，為獲得最佳粘合性能，推薦的干膜厚度對于底漆為0.005-0.010 mm，對于粘合劑為0.015-0.020 mm。?對于硫化后粘合應用，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的標準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。?水性系統需要在使用前對金屬進行預熱；?推薦的金屬表面目標溫度為322.15-333.15K。?這些材料的干燥可以在室溫下進行，也可以通過使用溫度為338.15-366.15K的循環空氣烤箱來加速。?重要的是不允許零件的表面溫度超過393.15K，因為這會過早地粘合。?圖3顯示了典型的溶劑型粘合劑噴涂應用的示意圖。

在施加粘合劑體系之后，重要的是在處理涂層部件時要小心，以免粘合劑表面被污染。?因此，搬運零件時應使用棉手套。?涂覆后盡快成型零件也很重要。?但是，如果需要停工，則應將零件存儲在密封的容器中，以使它們不會暴露于污染物和紫外線。?應聯系膠粘劑制造商，以獲取有關涂層零件最大放置時間的指導。

成型橡膠對金屬零件通常通過注塑，傳遞模塑或壓縮模塑工藝來制造。?高壓滅菌和無壓蒸汽成型也用于某些特殊應用中。?在模制過程中，必須仔細定義參數，以使彈性體硫化和粘合劑固化同時發生。?另外，在成型周期中必須使彈性體和粘合劑緊密接觸。?這是通過優化成型壓力和彈性體粘度來實現的。?這允許彈性體在粘合劑表面上適當潤濕。?在整個模制周期中，還必須確保在每個模腔中保持均勻的溫度。?溫度變化可能會導致潛在的鍵失效。

模制過程的另一個重要方面涉及將涂層零件裝入模具型腔時對其進行加熱。?這就是所謂的預烤。?對于成型工藝而言，優化涂層零件的預烘烤條件非常重要。?在某些情況下，熱量過多會導致膠粘劑系統過早固化。?在其他情況下，缺乏預烘烤可能會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型腔模具中對所有零件進行相同時間的預烘烤。

模制步驟對于獲得高質量的粘結至關重要，因為彈性體和粘合劑系統都依賴于這一步驟來相互固化/硫化。?在此步驟中缺少可變控制可能會導致現場零星的鍵故障。

測試/故障排除

通常根據ASTM D 429-14的指導進行橡膠與金屬的粘結性能測試?。?該測試方法描述了八種類型的試樣和方法（方法A至H），可用于粘合評估。?在測試方法中還可以識別粘合失敗類型。?“ R”被指定為橡膠破壞；?對于粘合組件，這是理想的破壞模式，因為這表明破壞發生在橡膠層內。?“ RC”表示該故障發生在橡膠與水泥（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。?這些故障類型的示例如圖4所示。

圖4

利用這種命名法來確定故障模式，技術人員可以進行更有針對性的故障排除評估并確定可能的根本原因。?已經發現，超過50％的粘結失效是RC失效，大約30％是CM失效，其余是CP和內聚失效的組合（內聚失效是底漆或粘合層內的斷裂）。?應當指出，該領域的絕大多數失敗是由于底漆和/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。?粘附的機理取決于金屬，底漆，粘合劑和彈性體的界面之間發生的各種相互作用。?為了使膠粘劑系統執行其功能，必須正確利用它。?這涉及橡膠與金屬粘合的五個基本方面的考慮：彈性體類型，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。?注意有關橡膠與金屬粘合過程的各個方面的細節將使粘合操作穩健，并且成品部件可靠。