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42 尼龙与橡胶粘接的影响因素 (1)


尼龙与橡胶粘接的影响因素
黄自华, 谭莲影 (株洲时代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲 412007) 摘要: 本文系统的研究了尼龙-6 的五种表面处理方法对尼龙-6 与天然橡胶为主体材料的胶料的热硫化 粘接性能的影响,并以打磨脱脂法为表面处理方式,研究了胶粘剂种类、胶料硬度及硫化条件对粘接的影 响规律。 关键词:橡胶-尼龙;表面处理; 胶粘剂;粘接

r />1. 概述 随着科学技术的不断进步, 以非金属为 骨架材料的复合产品越来越多, 性能的要求 也越来越高。 尼龙因耐磨和自润滑性能突出 【1】 ,被广泛应用在复合产品中。因此,尼 龙与橡胶的粘接成为复合产品研究中必不 可少的一部分。如机车车辆走行部用的止 档、橡胶辅助弹簧等。 尼龙与橡胶的粘接多借助胶粘剂, 采用 热硫化粘接的方法。即,首先对尼龙进行一 系列表面处理,然后涂敷胶粘剂,再把混炼 橡胶片贴合在尼龙上加热加压进行硫化, 实 现粘接。 在热硫化的过程中, 胶粘剂与尼龙、 胶粘剂与橡胶以及胶粘剂、 橡胶内部都会发 生一系列扩散、渗透、吸附和交联,从而形 『2』 成一个牢固的连接体 。 本文选用尼龙-6与天然橡胶进行粘接 试验。研究尼龙的表面处理方法、胶粘剂的 种类、胶料硬度及硫化条件等对粘接的影 响。 2. 试样部分 2.1原材料 尼龙-6 棒材, 株洲宏大高分子材料厂; 胶粘 剂 Thixon-P-11-EF, Megum538, 罗门哈斯 (中 国);胶粘剂 Chemlok205,Chemlok220, Chemlok252,Chemlok6108,美国;对甲苯 磺酸处理液,自制;氯化亚锡的稀水溶液,
作者简介:黄自华(1972-) ,男,湖北人,毕业于 华南理工大学高分子材料与工程专业,高级工程 师,现从事减振橡胶产品的配方设计工作。

自制;苯酚水溶液,自制;混炼胶 S1590#, 3NR-68,自制。 2.2 仪器和设备 JYW-67电子式万能试验机, 深圳高铁检 测设备有限公司;Q326履带抛丸清理机,青 岛海宇铸造机械有限公司; XLB-D400×400 ×2平板硫化机,上海第一橡胶机械厂。 2.3试验方法 2.3.1试样的制备 1)尼龙试片表面处理方法: ①将尼龙试样浸 泡在80%的苯酚水溶液中,刷洗,然后用水 洗净、烘干。②把聚酰胺(尼龙)浸在NaOH的 20%水溶液中,加热90℃,5min后取出,水 洗、温水洗、干燥(60℃×1h) 。③将尼龙 放在82℃苛性钠溶液中(20%) ,浸泡5mim, 水洗,再在氯化亚锡的稀水溶液(10g/L)中 浸泡5s,再水洗、干燥(60℃×1h) 。④打 磨脱脂法:采用抛丸机处理后脱脂,脱脂剂 采用的是丁酮或丙酮。⑤采用80~120℃的 对甲苯磺酸处理剂处理10~30s后取出, 120℃烘约l min后水洗,干燥。 2)尼龙试片处理步骤如下: 脱脂——表面处 理—一涂底胶—一干燥— 一涂面胶— 一 干燥,备用。 2.3.2性能测试 90°剥离强度 依据标准GB/T 7760-2003。 将试样安装在JYW-67电子式万能试验机的 专用工装夹具上,然后开启拉力试验机,速 度为50 mm/min士5 mm/min,直至试样完全 被分离,记录最大剥离力及目测破坏类型, 4个试样为一组。 3. 结果与讨论

3.1尼龙试片表面处理方法对粘接性能的影 响 表面处理 方 法 80%的苯酚水溶液 20%的NaOH水溶液 20%的NaOH水溶液+氯化 亚锡的稀水溶液(10g/L) 打磨脱脂法 对甲苯磺酸处理剂 剥离强度 (kN/m) 6.75 4.97 6.43 20.75 17.8

本文采用不同的表面处理方法处理尼 龙材料,对粘合效果的影响如表一所示:

表一:表面处理方法对粘接效果的影响

破坏类型 R/% CS/% 48 52 20 80 23 100 70 77 0 30

备 注 1) 胶 粘 剂 选 用 Thixon-P-11-EF /Megum538; 2) R—橡胶内部破坏, CS—胶粘剂 层与板材间破坏; 3) 硫化条件:表压20MPa,温度 150℃,时间20min。

从表一中可以看出: 采用不同的表面处 理方法进行处理, 无论是剥离强度还是附胶 率都有很大差别。 其中打磨脱脂法粘合效果 最好,强度可达 20kN/m 以上,附胶率为 100%, 这种处理工艺可在板材表面形成非常 均匀的粗糙度,操作简单,易于实现;对甲 苯磺酸处理剂处理的尼龙板材, 粘接效果居 中,剥离强度较高,但附胶率只有 70%,其 采用引入-Cl、 等活性较高的官能团, -OH 提 高表面能的方法提高粘接性能, 但该工艺比 较复杂,需要较多的辅助材料和辅助设备, 成本较高;而其他三种溶液浸泡法,则是采

用化学腐蚀的方法,增加尼龙表面的粗糙 度,但效果不佳,剥离强度均小于 7kN/m, 附胶率不足 50%。 就这三种溶液浸泡法相比, 第① 种的效果最好,第②种的效果最差。 这是因为, 苯酚溶液的溶解度参数与尼龙的 比较接近,溶解的效果比较好,而其他两种 则溶解效果较差。 3.2 胶粘剂种类对粘合性能的影响 选用打磨脱脂法,考察几种 Megum 和 Chemlok 的胶粘剂对粘合性能的影响,试验 结果见表二:

表二:胶粘剂种类对粘接性能的影响

选 用 胶粘剂 单涂Megum538 Thixon-P-11-EF /Megum538 Chemlok205/220 Chemlok205/6108

剥离强度 (kN/m) 10.56 24.53 14.23 15.92

破坏类型 R/% CS/% 50 50 100 100 95 0 0 5

备注 1) R—橡胶内部破坏, CS—胶粘剂 层与板材间破坏; 2) 硫化条件:表压20MPa,温度 150℃,时间20min。

这几种胶粘剂均为混合型合成胶粘剂, 差别在于胶粘剂公司在设计胶粘剂时, 为满 足不同的性能要求和适用范围, 选择的配方 不同。如表二中数据显示,综合考虑附胶率 和 剥 离 强 度 两 方 面 因 素 , 双 涂 Thixon-P-11-EF/ Megum538 的效果最好, 最 适合我们的要求; 单涂 Megum538 效果最差; 而以 Chemlok205 为底涂的两种胶粘剂粘接 效果居中。

3.3 硫化条件对粘合性能的影响 硫化是条件是影响粘接的关键因素。 胶粘剂和混炼胶都要经过硫化才能获得粘 接强度和内聚强度。 对尼龙-6 采用打磨脱脂 法 Thixon-P-11-EF/Megum538 胶粘剂, 考察 硫化条件对尼龙-6 与天然橡胶胶料的热硫 化粘合性能的影响。 如图一所示,在一定的范围内,硫化温 度越高,附胶率越高,剥离强度的变化趋势

则有所不同, 从 130℃~150℃,随着温度 的升高, 剥离强度变大, 但温度升高到 160℃ 时,剥离强度略有下降。分析原因,这可能 与胶粘剂、橡胶两者的硫化匹配性有关;而 剥离强度还与橡胶本身的强度有关。 在破坏 类型为橡胶内部破坏时, 橡胶的硫化程度越

深,交联密度越大,表现为在剥离时需要破 坏力也越大。 因剥离试样所用混炼胶 S1590# 在 150℃时, 硫化 20 分钟交联密度最大, 在 160℃已经出现硫化返原现象,所以剥离强 度有所下降。

100
20

剥离强度(kN/m)

80
15 10 5 0 130 140 150 160

附胶率(%)

60 40 20 0 130 140 150 160

硫化温度(℃) 图一:硫化温度对粘接性能的影响

硫化温度(℃)

(备注:1.胶粘剂选用Thixon-P-11-EF/Megum538;2.硫化条件:表压20MPa,时间20min。)

100
20

剥离强度(kN/m)

15 10 5 0 8 12 16 20

附胶率(%)

80 60 40 20 0 8 12 16 20

硫化压力(MPa) 图二:硫化压力对粘接性能的影响

硫化压力(MPa)

(备注:1.胶粘剂选用Thixon-P-11-EF/Megum538;2.硫化条件:温度150℃,时间20min。)

从图二中可以看出,硫化压力越大,附 胶越好,剥离强度越来越大。分析原因,这 可能是随着硫化压力的增大,一方面,胶粘 剂大分子与橡胶表面大分子的距离越来越 小,使两者相互吸引,产生范德华力和各种 化学键,将两者牢固的连接起来,获得一定 的内聚强度;另一方面,橡胶层内部大分子 链间距离逐渐减小,导致交联效率提高,使 交联密度增大, 从而使硫化胶的自身强度逐 渐增大,在破坏类型为 R 型时,表现为剥离 『3』 强度增大 。 3.4 橡胶硬度对粘合效果的影响 选择上述的最佳处理工艺、Thixon-P

-11-EF/Megum538 胶粘剂和 20MPa(表压) ×150℃×(TC90+5min)的硫化条件,考察 橡胶硬度对粘合效果的影响。
26 24 102 100 98 96 94 92 90 剥离强度 88 附胶率 86 70 80 90

剥离强度(kN/m)

22 20 18 16 14 12 40 50 60

附胶率(%)

胶料硬度(°sha)

图三:橡胶硬度对粘接效果的影响

如图三所示,随着硬度的增加,试样的 附胶率逐渐增加,剥离强度先增加后又降 低。 在采用同一胶种和同一硫化体系的前提 下,影响主要来自以下两方面:其一:填充 体系的影响。其对粘合的影响,与填料的补 强性质有关,补强性好的,粘合效果也好。 该胶料所用炭黑,可以提高胶料的粘合性。 如图所示,随着炭黑用量(硬度)的增加, 胶料的粘接强度提高,并具有最大值。当用 量超过一定限度时, 因橡胶分子链的接触面 积太少,粘合强度有所下降。其二:增塑剂 的影响。 随其用量的增加, 粘合力下降明显。 因为增塑剂虽然能降低胶料的粘度, 有利于 胶料分子扩散,但也使胶料强度降低,粘合 力下降。这也是低硬度胶料粘接强度低,附 胶率差的原因之一。 4. 结论

尼龙与橡胶的热粘合, 表面处理工艺尤 为关键,最佳选择为打磨脱脂法。 2) 胶粘剂选择 Thixon-P-11-EF/Megum538 比较合适。 3) 剥离试样的最佳硫化工艺为:150℃, 20MPa, 20min。 4) 上述 1) 、3)条的尼龙处理工艺和 、2) 硫化条件,对橡胶硬度的适用性很广, 其中 60~70 度 (邵尔 A) 的胶料更为适 宜。 1)
参考文献 [1] 宋卓颐,史勤芳,房双宽,赵永仙. 塑料原 料与助剂[M] .北京:科学技术文献出版社, 2003,52-54. [2] [3] 翟海潮,李印柏,林新松. 粘接与表面粘涂技 术[M].北京:化学工业出版社,1993,6-9. 陈 平,叶茂江,陈光辉,杨 军. 硫化压力 对胶料性能的影响[J]. 橡胶工业,2006 , 53(2):104-107.


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