袁德輝，楊小敏

(武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

首次應(yīng)用于某型船舶產(chǎn)品上的1種新型常溫固化單組份船用膠粘劑(以下簡稱膠粘劑)，為了摸索一套適宜的施工工藝參數(shù)，使粘合強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)(≥1.5 MPa)，在使用前，我們進(jìn)行了一系列粘接工藝試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容、方法及試樣

工藝研究的主要內(nèi)容是對粘接施壓載荷和時間的優(yōu)選，以及單位面積膠粘劑用量的控制。

試樣采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式，即粘接面為φ40 mm的圓形截面試樣［1］。以橡膠和鋼為被粘材料，用膠粘劑粘接成拉伸試樣(見圖1)。為了便于試樣的裝夾與對中，設(shè)計(jì)制作了1套專用夾具。

試驗(yàn)設(shè)備:AG－IS250電子萬能試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司;AX504電子天平，瑞士梅特勒公司。

參照GB/T11211－1989《硫化橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的測定－拉伸法》測試試樣的拉伸粘合強(qiáng)度，拉伸試驗(yàn)速度為50 mm/min。

2 施壓載荷和施壓時間試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)［2－3］，粘接試樣時，垂直試樣粘接面施加一定的載荷，能影響試樣的粘合強(qiáng)度。因?yàn)閷φ辰釉嚇邮┘虞d荷，可以促進(jìn)膠粘劑對被粘物表面的濕潤，提高膠粘劑對被粘物表面微孔的滲透和擴(kuò)散作用，同時，加壓有助于排出膠隙內(nèi)空氣［4］。根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的幾次摸索試驗(yàn)結(jié)果和與膠粘劑生產(chǎn)廠家溝通了解的情況，首先進(jìn)行了施壓載荷和施壓時間與粘劑強(qiáng)度關(guān)系的研究試驗(yàn)。

圖1 橡膠與鋼粘接成的拉伸試樣示意圖Fig.1 Tensile specimen for bonding of rubber and steel

2.1 試驗(yàn)程序

1)按施工要求對金屬和橡膠墊的粘接表面進(jìn)行打磨、丙酮清洗等處理。

2)在金屬和橡膠墊的粘接表面均勻涂刷一層膠粘劑(用量要少)，待達(dá)到指觸干時，一次粘合貼緊。

3)試樣粘接完成后，采用砝碼對試樣均勻施加不同的載荷和不同的時間，并將施壓載荷1 000 N，施壓時間1 h作為初始參照值。為使施壓均勻和增大良好結(jié)合面積，在試樣的上下增加1塊軟墊，加載方式見圖2。

4)施壓完成后，將試樣靜置24 h后，按GB/T 11211－1989的要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測定粘合強(qiáng)度。

圖2 加載方式圖Fig.2 Loading method

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對采用不同施壓載荷和施壓時間參數(shù)的各組(1組3件)試樣，按上述試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及其參數(shù)見表1。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以施壓時間為橫坐標(biāo)、施壓載荷為縱坐標(biāo)，作施壓載荷與時間關(guān)系曲線圖，見圖3(為了圖面不至太大，工藝1－7和1－8的數(shù)據(jù)未列入圖中)。

由圖3可見，對于這種粘接面積為φ40 mm圓截面試樣，要滿足粘合強(qiáng)度≥1.5 MPa的規(guī)定，就必須在圖3所示曲線的上方區(qū)選取各工藝參數(shù)，即施壓載荷和施壓時間數(shù)據(jù)對。顯而易見，隨著施壓載荷的降低，所需施壓時間要增加，方可滿足粘合強(qiáng)度不＜1.5 MPa的要求。

表1 不同施壓載荷和時間試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of different compression load and time

圖3 施壓載荷—施壓時間關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of compression load and time

為了實(shí)際中不同截面積試樣的應(yīng)用方便，將單位面積上的壓力標(biāo)在圖3右邊的縱坐標(biāo)上，這樣，只要在圖3所示曲線的上方區(qū)選取工藝參數(shù)——施壓壓力(而不是總載荷)和施壓時間數(shù)據(jù)對，不同截面積的試樣的粘合強(qiáng)度均可滿足不＜1.5 MPa的要求。

3 單位面積膠粘劑用量控制試驗(yàn)

在施工過程中，膠粘劑的厚度是一個非常重要的技術(shù)參數(shù)，是決定粘合強(qiáng)度的重要因素之一。在試驗(yàn)過程中，膠層厚度不易測試，故采用了重量法來控制膠層的厚度［5－6］，即φ40 mm圓形粘接面積上的膠粘劑質(zhì)量(4個面涂膠)。

3.1 試驗(yàn)程序

1)按施壓載荷試驗(yàn)程序1)要求對粘接面進(jìn)行表面處理后，用分析天平稱量每件試樣的質(zhì)量(包括金屬部件和橡膠墊)并記錄為M1。

2)每種工藝按施壓載荷試驗(yàn)程序2)制作5個試樣為1組。為了找到合適的膠粘劑用量，各組試樣采用不同的膠粘劑用量進(jìn)行粘接。

3)試樣粘接完成后按施壓載荷試驗(yàn)程序3)進(jìn)行施壓，施壓載荷為221 N(選擇較低的施壓載荷是考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便)、施壓時間為5 h，參見圖2。

4)試樣5 h施壓完成后，用分析天平稱量試樣質(zhì)量M2，并計(jì)算每件試樣的膠粘劑用量M=M2－M1。

5)按施壓載荷試驗(yàn)程序4)的要求測定各試樣的粘合強(qiáng)度。試驗(yàn)完成后，觀測試樣的結(jié)合程度，并計(jì)算5個試樣的平均膠粘劑質(zhì)量和平均粘合強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果列于表2。需要說明的是，試樣質(zhì)量是在施壓完成后稱量的，因此得到的是膠粘劑干后質(zhì)量，沒有考慮5 h內(nèi)的揮發(fā)量。計(jì)算單位面積的膠粘劑質(zhì)量時，因每個試樣有4個涂膠面(上、下金屬件表面和橡膠墊2個面)，故總面積是φ40 mm圓截面積的4倍。

表2 膠粘劑用量工藝試驗(yàn)結(jié)果表Tab.2 Test results of adhesive dosage

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)觀察試樣的拉脫面發(fā)現(xiàn)，試樣的結(jié)合程度與涂刷膠粘劑的均勻度有關(guān)。在相同的工藝下，膠粘劑涂刷越均勻，試樣的結(jié)合程度越好，粘合強(qiáng)度也越高。

2)粘合強(qiáng)度－膠粘劑質(zhì)量關(guān)系曲線見圖4?？梢钥闯?，試樣粘合強(qiáng)度隨膠粘劑用量的增加而降低。膠粘劑質(zhì)量超過一定量時，粘合強(qiáng)度下降速度加快。

從圖4的曲線可知，要滿足粘合強(qiáng)度不＜1.5 MPa的要求，對于φ40 mm的圓截面試樣，其膠粘劑總質(zhì)量必須＜0.16 g，即63.65 g/m2(雙面)。

圖4 粘合強(qiáng)度－膠粘劑質(zhì)量關(guān)系曲線圖Fig.4 Relation curve of bonding strength and adhesive mass

為了實(shí)際中不同截面積試樣的應(yīng)用方便，將(雙面)單位面積上的膠粘劑質(zhì)量(g/m2)標(biāo)在橫坐標(biāo)下面括號中，見圖4。

4 結(jié)語

1)試樣的粘合強(qiáng)度與粘合面結(jié)合程度密切相關(guān)，試樣的結(jié)合程度又與涂刷膠粘劑的均勻度有關(guān)。在相同的工藝下，膠粘劑涂刷越均勻，試樣的結(jié)合程度越好，粘合強(qiáng)度也越高。

2)要滿足粘合強(qiáng)度≥1.5 MPa的技術(shù)要求，隨著施壓載荷的降低，所需施壓時間就要增加。但根據(jù)施工的不同情況，只要通過查閱圖3并在圖3所示曲線的上方區(qū)選取工藝參數(shù)——施壓載荷和施壓時間，粘合強(qiáng)度應(yīng)可滿足不＜1.5 MPa的要求。

3)在施壓載荷為221 N、施壓時間為5 h條件下，試樣粘合強(qiáng)度隨膠粘劑用量的增加而降低，當(dāng)膠粘劑質(zhì)量超過一定量時，粘合強(qiáng)度下降很快。但只要按圖4，將單位面積膠粘劑用量控制在21.64～59.43 g/m2(雙面)，其粘接強(qiáng)度應(yīng)可滿足不＜1.5 MPa的要求。

［1］GB/T11211－1989，硫化橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的測定－拉伸法［S］.

［2］張曉玲，林新志.氯丁膠粘劑拉伸粘接強(qiáng)度影響因素的探討［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2006，21(3):34 －35，42.

［3］宋丙紅，莫建華，李海宏.環(huán)氧樹脂膠粘劑工程技術(shù)研究［J］.中國膠粘劑，2010，19(5):33 －35.

［4］廖宏，田春蓉，杜自衛(wèi).工藝條件對拉伸試件粘接強(qiáng)度分散性的影響［J］.粘接，2006，27(6):17 －19.

［5］鄒德榮，劉京，宋銘，等.丁腈橡膠材料粘接技術(shù)研究［J］.航天制造技術(shù)，2008，(1):58 －60.

［6］楊丹，張宇馳，劉京，等.金屬/丁腈橡膠粘接工藝試驗(yàn)［J］.粘接，2006，27(4):45 －46.