船用膠粘劑粘接工藝

袁德輝，楊小敏

(武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

首次應用于某型船舶產品上的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，使粘合強度達到規定的技術指標(≥1.5 MPa)，在使用前，我們進行了一系列粘接工藝試驗研究。

1 試驗內容、方法及試樣

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

試樣采用標準規定的型式，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，設計制作了1套專用夾具。

試驗設備:AG－IS250電子萬能試驗機，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度的測定－拉伸法》測試試樣的拉伸粘合強度，拉伸試驗速度為50 mm/min。

2 施壓載荷和施壓時間試驗

根據文獻［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度。因為對粘接試樣施加載荷，可以促進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散作用，同時，加壓有助于排出膠隙內空氣［4］。根據預先進行的幾次摸索試驗結果和與膠粘劑生產廠家溝通了解的情況，首先進行了施壓載荷和施壓時間與粘劑強度關系的研究試驗。

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 試驗程序

1)按施工要求對金屬和橡膠墊的粘接表面進行打磨、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的要求進行拉伸試驗測定粘合強度。

圖2 加載方式圖Fig.2 Loading method

2.2 試驗結果

對采用不同施壓載荷和施壓時間參數的各組(1組3件)試樣，按上述試驗程序進行試驗，試驗結果及其參數見表1。

2.3 試驗結果分析

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

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

表1 不同施壓載荷和時間試驗結果Tab.1 Test results of different compression load and time

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

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

3 單位面積膠粘劑用量控制試驗

在施工過程中，膠粘劑的厚度是一個非常重要的技術參數，是決定粘合強度的重要因素之一。在試驗過程中，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量(4個面涂膠)。

3.1 試驗程序

1)按施壓載荷試驗程序1)要求對粘接面進行表面處理后，用分析天平稱量每件試樣的質量(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行粘接。

3)試樣粘接完成后按施壓載荷試驗程序3)進行施壓，施壓載荷為221 N(選擇較低的施壓載荷是考慮到實際應用的方便)、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量M2，并計算每件試樣的膠粘劑用量M=M2－M1。

5)按施壓載荷試驗程序4)的要求測定各試樣的粘合強度。試驗完成后，觀測試樣的結合程度，并計算5個試樣的平均膠粘劑質量和平均粘合強度。

3.2 試驗結果

試驗結果列于表2。需要說明的是，試樣質量是在施壓完成后稱量的，因此得到的是膠粘劑干后質量，沒有考慮5 h內的揮發量。計算單位面積的膠粘劑質量時，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結果表Tab.2 Test results of adhesive dosage

3.3 試驗結果分析

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

2)粘合強度－膠粘劑質量關系曲線見圖4。可以看出，試樣粘合強度隨膠粘劑用量的增加而降低。膠粘劑質量超過一定量時，粘合強度下降速度加快。

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

圖4 粘合強度－膠粘劑質量關系曲線圖Fig.4 Relation curve of bonding strength and adhesive mass

為了實際中不同截面積試樣的應用方便，將(雙面)單位面積上的膠粘劑質量(g/m2)標在橫坐標下面括號中，見圖4。

4 結語

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

2)要滿足粘合強度≥1.5 MPa的技術要求，隨著施壓載荷的降低，所需施壓時間就要增加。但根據施工的不同情況，只要通過查閱圖3并在圖3所示曲線的上方區選取工藝參數——施壓載荷和施壓時間，粘合強度應可滿足不＜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，試樣粘合強度隨膠粘劑用量的增加而降低，當膠粘劑質量超過一定量時，粘合強度下降很快。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)，其粘接強度應可滿足不＜1.5 MPa的要求。

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

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

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

［4］廖宏，田春蓉，杜自衛.工藝條件對拉伸試件粘接強度分散性的影響［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研究［J］.航天制造技術，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［J］.粘接，2006，27(4):45 －46.