電場作用下橡膠-金屬粘接性能研究

于 苗， 劉大晨

(沈陽化工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110142)

橡膠-金屬硫化粘接復合體系已廣泛地應用于許多工業領域［1］.橡膠-金屬硫化粘接的方法可以追溯至1850年［2］，經歷了硬質橡膠法、黃銅或鍍黃銅法、間苯二酚甲醛體系和酚醛樹脂法等.本文采用無鍍層的鋼絲與含有滲硫劑的橡膠在直流電場作用下進行熱硫化粘接，利用金屬與橡膠在硫化過程中產生的化學鍵合，生成具有特殊結構與性質的FeS［3－6］，實現兩者間的優異粘接.

1 實驗

1.1 原料及藥品

鋼絲(Φ=1.5 mm)，砂紙，乙酸乙酯，滲硫劑(KSCN與NaSCN的混合物)，以上藥品均為分析純.

1.2 實驗儀器

RG L-30A型微機控制電子萬能試驗機，XK-160型開放式煉膠機，GT-M2000-A型橡膠硫化測定儀，XLB400×400×2E型平板硫化機.

1.3 鋼絲成分

金屬的化學成分不同，其與橡膠粘接的強度也有所不同，實驗所用鋼絲的元素組成如表1所示.

表1 鋼絲的元素組成Table 1 Component of wire

1.4 性能測試

粘接性能:通過測定金屬與橡膠的拉伸力反映出橡膠-鋼絲復合體的粘合力(GB/T3513－1983《橡膠與單根鋼絲粘合強度的測定——抽出法》).

2 結果與討論

2.1 滲硫產物測定

2.1.1 X射線衍射分析

圖1是經滲硫處理后鋼絲的XRD譜圖.在圖1中，前2個峰與硫化亞鐵的特征峰相吻合，從第3個峰以后與鐵的特征峰相吻合.而且從圖1可知，圖中并沒有S的特征峰，即滲硫后的鋼絲表面生成了FeS.

圖1 滲硫鋼絲的XRD譜圖Fig.1 XRD of sulfurized wire

2.1.2 掃描電鏡分析

圖2為放大2 000倍的未處理和經滲硫處理過的鋼絲表面的SEM圖.圖2(a)為砂紙沿鋼絲同一方向打磨(電壓為0 V，滲硫時間0 min)，有比較規律的磨痕;圖2(b)～圖2(d)為砂紙打磨后經滲硫處理過的鋼絲(直流電壓依次為1.5 V、3.0 V、4.5 V，滲硫時間10 min)，其表面均有FeS生成.

圖2 鋼絲表面的掃描電鏡Fig.2 SEM of the wire surface

2.2 滲硫劑對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

2.2.1 滲硫劑的質量配比對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

圖3是滲硫劑中KSCN和NaSCN的質量配比對橡膠與鋼絲粘接性能的影響.從圖3可以看出:在滲硫劑的質量配比為7∶3時橡膠與鋼絲的粘合力最大.因為此時滲硫劑混合物的熔點最低，即活性最高，熱硫化過程中，在熱能的作用下滲硫劑分解出SCN－;并且在直流電場中，滲硫劑原子震動劇烈，促使滲硫劑進一步分解電離出S2－，從而有利于鋼絲-橡膠界面間元素的相互滲透和離子的反應，促進FeS的生成.滲硫劑的配比增大或減小均使混合物熔點升高，因此生成硫化亞鐵困難，橡膠與鋼絲間的粘接強度下降.

圖3 滲硫劑的質量配比m(KSCN)∶m(NaSCN)對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.3 Effect of sulfurizing agent ratio m(KSCN)∶m(NaSCN) on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

2.2.2 滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響如圖4所示.從圖4可以看出:隨著滲硫劑含量的增加，橡膠與鋼絲的粘合力先增大后減小.滲硫劑含量為20份時，橡膠與鋼絲的粘合力達到最大值;10份時，其粘合力最小.當滲硫劑含量為10份時，滲硫劑電解出的S2－較少，不能與Fe充分反應生成FeS，甚至不能形成連續的FeS層，從而使橡膠-鋼絲間形成的化學鍵合較弱，故其粘合力較小.隨滲硫劑含量的逐漸增加，滲硫劑電解出更多的S2－與Fe2+反應生成連續均一的FeS層，有利于進一步提高橡膠與鋼絲的粘合力.但當滲硫劑含量過多時(大于20份)，生成的FeS達到過飽和狀態，進而導致橡膠與鋼絲的粘接性能下降，即粘合力降低.

圖4 滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.4 Effect of sulfurized content on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

2.3 導電炭黑對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

在熱硫化過程中，通過電場作用進行橡膠與金屬的粘接試驗.一定范圍內，橡膠與鋼絲在熱硫化過程中通過的電流越大，越有利于加速橡膠與鋼絲之間形成FeS，有利于提高兩者間的粘合力.圖5為橡膠中的導電炭黑對橡膠-金屬粘接性能的影響.從圖5可以看出:橡膠與鋼絲粘接的粘合力隨著導電炭黑含量的增加先增大后減小，且在導電炭黑為8份時出現最大值.鋼絲與橡膠的粘合力先隨導電炭黑含量的增加而增加，這是由于橡膠體系中導電炭黑粒子間的距離縮小，而且由導電炭黑粒子排列形成的炭鏈數目也將增加，因此在熱硫化過程中橡膠的導電性就越好，在直流電場作用下橡膠-鋼絲界面間通過的電流就越大，從而加速橡膠中滲硫劑的反應速度，促使S2－與Fe2+反應生成FeS.導電炭黑過多時，橡膠-金屬閉合回路容易產生短路，滲硫劑在無電流作用時不能產生S2－，即不能生成FeS，使鋼絲與橡膠的粘合力降低.此外，導電炭黑在橡膠中的分散情況也會極大地影響橡膠的導電性，分散性越好，橡膠和鋼絲粘合力就越大.

圖5 導電炭黑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.5 Effect of conductive carbon black content on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

另外，對比圖4、圖5結果，導電炭黑的加入并沒有明顯改善橡膠-金屬的粘合性能，對導電炭黑的作用還有待于在今后的研究中進一步加以分析.

3 結論

(1)滲硫劑配比m(KSCN)∶m(NaSCN)在7∶3時混合物的熔點最低，即活性最高，橡膠-金屬間的粘接強度達到最大值.

(2)橡膠-金屬粘合力隨著滲硫劑含量的增加先增大后減小，在20份時橡膠與金屬的粘合力最大.

(3)為增強橡膠的導電性能，在橡膠中加入適量的導電炭黑，從而可以提高橡膠與金屬的粘合力，導電炭黑用量為8份時，橡膠-金屬間的粘接強度達到最大值.

(4)電場作用對提高橡膠-金屬粘接有積極作用，但工業上是否便于實施有待于在今后的研究中加以研究.

［1］ 馬興法，王仲平，宋風華.金屬-橡膠硫化粘接研究進展［J］.功能高分子學報，2000，13(1):103.

［2］ Roman Milczarek.Rubber-to-metal Bonding Agents［J］.Rubber World，1996，213(6):26－31.

［3］ Jing J Z，Lin R，Morup S，et al.Mechanochemical Synthesis of Fe-S Materials［J］.Journal of Solid State Chemistry，1998，138(1):114－125.

［4］ Chin PP Ding J，Yi J B，Lin B H.Synthesis of FeS2and FeS Nanopartieles by High-energy Mechanical Milling and Mechanechemical Processing［J］.Journal of Alloys and Compound，2005，390:255－260.

［5］ 王海斗，徐濱士，劉家浚，等.基體狀態對FeS層固體潤滑性能的影響［J］.潤滑與密封，2005(1):34－36.

［6］ 梁娜，陳敬超.FeS材料的制備、性能與應用［J］.潤滑與密封，2006(10):178－180.