弹性体(橡胶)的粘接原理 | Parker China

弹性体和表面处理剂 - 选择正确的组合

生产高质量的粘接部件起始于两个选择:弹性体和表面处理剂体系。

1. 弹性体 - 首先选择弹性体。粘接组件的预期功能决定了需选择的材料类型及其配方要素。用于高度工程化的汽车发动机减振件的橡胶将根据其在振动控制方面的动态性能和引擎盖下工作条件的承受能力进行选择。相反,用于发动机密封的弹性体必须对发动机液体渗漏有极佳的耐受性能。

2. 表面处理剂体系 - 然后选择表面处理剂体系。表面处理剂体系必须在既定硫化条件下提供良好的粘接效果,并在使用过程中保持粘接性。

弹性体

橡胶弹性体包含:天然橡胶和许多合成橡胶。选择弹性体时应考虑零件的性能要求、是否容易混合、加工或硫化。

大部分硫化粘接零件使用:

  • 天然橡胶(NR)
  • 丁苯橡胶(SBR)
  • 氯丁橡胶(CR)
  • 丁腈橡胶(NBR)

其他常用的合成橡胶包括:

  • 丁基橡胶(IIR)
  • 异戊二烯橡胶(IR)
  • 顺丁橡胶 (BR)
  • 氯磺化聚乙烯(CSM)
  • 聚丙烯酸酯(ACM)
  • 乙烯-丙烯酸酯类 (AEM)
  • 各种可浇注聚氨酯(AU或EU)

高性能和超高性能的弹性体专用于要求耐用性和极端工作条件的场景。包括各种氟橡胶(FKM)和硅橡胶(MQ),以及氢化丁腈橡胶(HNBR)。

零件设计师开始在以缓冲为主要功能的组件中使用可熔融加工的弹性体或热塑性弹性体,包括各种聚烯烃(TPO)、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和热塑性聚氨酯。这些材料不需要硫化,因此并非典型的粘接组件,但易于加工,且产生的废物也可回收利用。最终用途一般要求在室温下使用。

上述许多弹性体可满足具体的最终用途:耐油和有机溶剂、耐热、抗化学腐蚀、高强度、卓越的动态性能并/或易于加工。

复合效应

洛德技术服务实验室生成的数据,结合客户的输入,可以提供用于理解配方体系的变化对粘接性能的影响的相关信息。这些配方应用指南主要与非极性二烯弹性体有关,如:EPDM、IIR和NR,也涉及一些更易粘接和极性更强的类型,如:CR和NBR。

以下配方体系、固化系统、填料、增塑剂和抗降解剂在不同程度上影响“粘接性”。这些成分的效用如下所示:

  • 硫磺含量—配方体系中的硫含量举足轻重:硫含量为1 p.h.r.或以上时,有利于粘接。配方体系含少量硫或无硫则很难粘接。
  • 促进剂--常用促进剂中,MBT通常具备良好的粘接性。ZDMC和超促进剂(如TMTD)会降低粘接性,特别是在EV或半EV硫化体系中。防焦烧剂(PVI)通常添加到快速硫化的配方体系中,以提升加工安全性。但使用超促进剂时:NR配方中如存在高含量的PVI,则不利于粘接。PVI如低于0.15 p.h.r.,则粘接效果较好。
  • 填料--填料的类型和数量是关键。炭黑含量为40至80 p.h.r.的橡胶比炭黑含量较低的橡胶更容易粘接。粘土和白炭黑等非黑色填料也有利于粘接。
  • 蜡和油--传递到硫化弹性体表面的蜡质或油质成分会降低粘接性能。包括低分子量聚烯烃助剂(即低熔点聚乙烯和聚丙烯加工助剂/润滑剂)、芳香油和脂肪酸酯(即蓖麻油酸酯)。环烷烃或石蜡油问题比较少。
  • 邻苯二甲酸酯增塑剂--尽管经常推荐邻苯二甲酸二辛酯等增塑剂用于维持聚烯烃弹性体(EPDM和IIR)在低温、终端应用中的机械性能,但并不利于粘接。使用邻苯二甲酸酯会影响NBR材料的粘接性。但加入白炭黑等高表面积的无机填料,可中和邻苯二甲酸酯增塑剂的消极影响。
  • 抗臭氧剂 - 高性能的抗臭氧剂和某些抗氧化剂,特别是对苯二胺类,可能会减弱粘接性。
  • 非二烯类弹性体--未使用硫磺和促进剂固化的弹性体,可加入高表面积的填料提升粘接性。与某些油、增塑剂和蜡混合时,粘接性会降低。

弹性体混合物

选择两种或多种橡胶混合物(例如NR-SBR混合物、NBR与IR混合物)以利用每种成分的最理想特点或性能。选择混合物也是为了在不影响成品部件的质量前提下提升原材料的经济性。

弹性体混合物几乎都是非均相体系,即一种弹性体以连续相或分散相分布在另一种弹性体中。这种非均相的原因在于大多数弹性体并不互溶。混合的结果是复合成分的分布不够均匀,导致其中一种弹性体被硫磺和促进剂优先硫化。

弹性体混合的整体效果将影响粘接效果和表面处理剂的选择。例如,NBR和NR混合物比完全由丁腈橡胶组成的弹性体更难粘接。

其他注意事项

表面处理剂选择时还应考虑零件设计、成型方式和橡胶弹性体配方。

  • 零件设计 - 组件的设计或几何形状会影响粘接效果,以及零件对工作环境的承受能力。流体发动机支座或衬套(即含有液体)可能会对固化表面处理剂的耐环境性提出非典型要求。如果弹性体-金属界面暴露在热的乙二醇/水混合物等密闭的液体中,表面处理剂体系应有能力应对这种情况(即开姆洛克6254与开姆洛克207GB底涂结合使用)。
  • 成型方式 – 有的成型方式可能会造成表面处理剂冲刷。硫化前,熔融的弹性体在涂有表面处理剂的金属零件表面移动时,可能会产生这种现象。这类情况下,有些表面处理剂会从需要粘接的界面冲刷掉。开姆洛克220LFGB具有良好的耐冲刷性能。相对而言,如果易出现冲刷的问题,则不应选择开姆洛克234B。
  • 预烘烤—耐预烘是指表面处理剂在接触硫化弹性体之前承受高温的能力。粘接取决于高温下表面处理剂和硫化弹性体之间的化学反应(即在胶粘剂-弹性体界面)。如果表面处理剂在接触弹性体之前就开始发生化学反应,则表面处理剂将失去大部分粘接能力。涂布在金属表面的关键表面处理剂成分发生反应时,则会使表面处理剂失去部分粘接活性。反应可能导致高活性物质转移到橡胶表面。接着,关键组分可能在与弹性体接触之前,在弹性体外层发生预反应。

粘接流程

粘接流程有四个阶段:

  1. 基材准备
  2. 底涂和表面处理剂的应用
  3. 弹性体准备
  4. 硫化成型和精加工

基材准备

要达到最高粘结强度,适当的表面处理是至关重要的一环。可使用以下表面处理表确定适当的表面清洁工序,下表也列出了对金属和非金属表面处理的建议。

Surface_Preparation.PNG

表面处理过程中,必须考虑一些控制参数。这些参数列在过程控制检查表中。

Elastomer_Bonding_Process_Control_Checkpoints.PNG

  • 去除油污 - 通过碱性脱脂去除切削油、模具润滑油和颗粒污染物。碱洗时必须控制温度和浓度,且需配备溢流系统。需配备冷热水清洗槽,以确保去除碱液和脱脂剂。
  • 去除不溶性材料 - 通过机械或化学方式处理去除水垢、铁锈或其他氧化涂层。机械处理方式包括喷砂、研磨、加工或磨削。必须使用干净的沙粒或磨料。喷砂前后最好用碱液进行清洗。这些方法可以去除板结的污垢和氧化层,增加表面积,提供有效的粘接表面。化学处理方式包括磷化或镀层,以确保表面清洁。必须对清除工艺进行有效控制。冲洗用的水和干燥空气必须保持纯净。
  • 已处理基材的维护 - 不得暴露在灰尘、湿气、化学烟雾、脱模剂和其他污染物中。进行表面处理后,需尽快涂上底涂。

表面处理剂应用

使用前和使用过程中,应彻底混合含颜料的表面处理剂。均匀涂布底涂,待完全干燥后再涂布面涂。底涂尽量薄,因为底涂过厚可能会导致溶剂滞留和随后硫化成型过程中的粘接失败。可通过控制涂布的面涂或底涂的温度和粘度以保持膜厚的均匀性。施涂一层以上表面处理剂时,在两层之间应留足时间和温度,以确保溶剂完全挥发。

通过浸涂、喷涂、刷涂、辊涂或滚喷的方式涂布底涂或面涂。涂布方法取决于零件的尺寸、形状和件数。以下列出了五种涂敷方法各自的特点:

  1. 浸涂 - 适用于溶剂型和水性表面处理剂。根据不同的自动化程度,浸涂法既可用于大批量生产,也可用于小批量生产。
  2. 喷涂 – 能提供最高水平的粘接性能和最快速的骨架上的溶剂挥发速率。
  3. 刷涂 - 仅适用于溶剂型表面处理剂。适用于小批量或不连续生产。
  4. 辊涂 - 适用于大面积平面以及圆柱体。
  5. 滚喷 - 适用于在旋转桶中为零件涂布涂层,较为经济。干燥时,可将部件放置在干燥盘中,在翻滚筒中循环暖空气,或使用烘箱干燥。

硫化和精加工作业

硫化成型是粘接过程中最重要的步骤;个别硫化成型参数的任何变化都会导致粘接失效或高废品率。设计模具时,应考虑如何方便装载涂有表面处理剂的金属以及方便拆卸硫化件。

将涂有表面处理剂的金属和橡胶弹性体放入模腔。使用正确的时间、温度和压力生产高质量的粘接件。使用热电偶、高温计或Tempilsticks®,定期检查模腔温度。模具压力不足、温度变化、硫化不充分或过硫都会影响粘接的完整性。

如果弹性体在硫化过程中处于最大压力和最小粘度,则视为理想的粘接环境。要达到这些条件,请遵循弹性体硫化的时间和温度规定。下图列出了硫化和精加工作业的过程控制检查点。

Tempilsticks®是Tempil, Inc的商标。

Elastomer_Bonding_Process_Control_Checkpoints_for_Molding_and_Finishing_Operations.PNG

硫化成型方式 - 有三种硫化成型方式:传递注压、注射成型和模压。传递注压和注射成型是大部分橡胶与金属粘接零件的主要制造方式。下图列出了效果较好的硫化粘接典型条件。

Elastomer_Bonding_Typical_Molding_Parameters.PNG

精加工- 通常有必要对粘接部件进行额外处理。与这些额外处理有关的常见粘接破坏情况:

  • 用干冰或氮气去飞边 – 金属和橡胶之间的粘接失效通常发生作用较大负载,且温度过低及时间过长的情况下。
  • 线刷、研磨或机械加工 - 由于热积聚导致粘接破坏。
  • 后镀或后道涂漆 – 表面处理剂在后道电镀或涂漆的作业中无法耐受溶剂时会失效。

故障排除

ASTM国际组织提供了粘接破坏的详细描述。产品概述可使用这些描述评估问题,并迅速采取纠正措施。本文件中的产品概述,术语“弹性体”和“表面处理剂”应分别理解为“橡胶”和“胶粘剂”。

ASTM提出以下四大基础问题,涵盖约80%的粘接破坏情况:

  • R – 橡胶破坏。该分类还可细化为以下子分类。
  • RC – 橡胶与面涂发生界面破坏。
  • CM – 失效发生在开姆洛克单涂与金属界面之间或底涂与金属界面之间。
  • CP – 发生在面涂与底涂界面的破坏。

橡胶破坏(R) - 行业内常用的橡胶破坏类型名称包括:

  • SR(橡胶污点) - 出现在金属表面,看起来像橡胶飞溅。通常因为金属表面在粘接前受到灰尘或其他外来沉积物污染。SR破坏也可能是由于表面处理剂离开喷枪喷嘴时过快干燥(蛛网状)。
  • TR(薄层覆胶)--金属表面覆有均匀但极薄的橡胶残留物。通常出现在高油性的丁基或橡胶浆料上。油转移到RC界面时,会产生粘接层,部分为表面处理剂,部分为油,部分为橡胶。零件受压时,这个薄弱层很容易遭到破坏。
  • HR(厚层覆胶)--如果金属表面残留厚橡胶层,表明粘接性良好。因压力超过了内聚强度造成橡胶破坏。
  • SB(橡胶断裂)--一种橡胶破坏模式,可能是因为它自身向后折叠,然后断裂。断裂通常发生在橡胶缺陷处或与金属接触的尖角处。

Types_of_Failure_Rubber_Failure.PNG

橡胶-Chemlok(RC)破坏--橡胶和Chemlok之间的分离通常表现为金属表面相对光亮、坚硬,几乎看不到橡胶。RC破坏的常见原因是:橡胶与表面处理剂接触之前,表面处理剂或橡胶已发生预固化;面涂膜厚不足;硫化压力或温度过低;硫化不充分;以及增塑剂、油和其他不相容的配方组分迁移。

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面涂(单涂)-金属和底涂-金属(CM)破坏--金属和底涂/面涂(单涂)之间明显的分离,表明未粘接成功。原因可能有以下几种。金属表面的油、污垢、灰尘或其他异物阻碍粘接。影响金属表面的环境因素造成了粘接不充分。表面处理剂溶剂挥发太快,以及表面处理剂离开喷枪喷嘴时,可能会出现干燥过快(蛛网状)。粘接过程中,弹性体的流动可能导致金属表面的表面处理剂被冲刷。

Types_of_Failure_Cement-Metal_or_Primer-Metal_Failure.PNG

面涂-底涂(CP)破坏 - 如果底涂与面涂的颜色不同,很容易发现面涂-底涂界面分离的情况。此时的破坏原因有:底涂污染、增塑剂从弹性体中迁移、或底涂/面涂混合或干燥不充分。

Types_of_Failure_Cement-Primer_Failure.PNG

组合破坏 – Chemlok-金属、橡胶- Chemlok和橡胶破坏发生在同一部件上时,就会出现组合破坏。有关组合破坏的补救措施,请参考以下图表。

Types_of_Failure_Combination_Failure.PNG

Elastomer_Bonding_Causes_and_Remedies_to_Cement-Metal_Failure.PNG

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