氯丁-酚醛橡膠膠黏劑設計原理及影響粘接強度的主要因素

＊袁朝俊

（新鄉航空工業（集團）有限公司理化測試中心 河南 453000）

隨著科學技術和國民經濟的發展，近二十年來飛機上所用膠黏劑品種不斷增多，數量不斷增加。在眾多橡膠復合膠黏劑中，氯丁-酚醛橡膠膠黏劑因其良好的初始粘接強度、較好的膠層柔韌性，膠接工藝操作簡單、工藝靈活、變形小，容易實現的優點被主要用于橡膠薄膜、塑料、織物之間及其與金屬之間的粘接，但由于不太理想的耐熱性其通常被作為非結構膠黏劑廣泛應用于耐低溫、耐疲勞和耐震動條件下工作的構件[1-2]。膠接工藝因膠黏劑的性質和形態不同而有所差異，然而在實際應用中，對于同種膠、相同的膠接形式，往往只是由于不同人的操作，工藝方法的細微差別，導致同一膠接件粘接強度差別很大，發生膠黏劑從被粘結物表面脫落的現象。因此粘接工藝是影響粘接強度的關鍵因素之一。本文主要介紹了氯丁-酚醛橡膠膠黏劑的設計原理、基本組成以及膠接件常用的表面處理方法，并從配膠、涂膠、晾置、粘接和固化等方面探討了膠接工藝對粘接強度的影響。

1.膠黏劑設計原理及基本組成

氯丁-酚醛橡膠膠黏劑是由熱固性對叔丁基酚醛樹脂改性后和氯丁橡膠復合而成的氯丁膠黏劑。氯丁橡膠的基本結構式主要為1,4-型和幾乎不常見的1,2-型約為2.5%）結構，其中順式和反式1,4-型結構各占約10%和85%。反式1,4-型結構由于含量較大，大分子呈規則線型排列，具有易結晶特點[1-2]。氯丁橡膠分子結構中的雙鍵，可與酚醛樹脂中的羥甲基發生交聯反應而形成交聯產物，化學結構中的氯使其具有一定的阻燃性、耐化學腐蝕性和耐油性，且具有可逆的結晶性，優異的粘接特性[3]。但由于原料中的樹脂含有丁基，耐熱性較差，使用溫度一般不超過80 ℃。在常溫下，經過硫化的膠黏劑主要靠氯丁橡膠的快速結晶而達到所要求的粘接強度。氯丁橡膠與酚醛樹脂的相容性是決定膠黏劑性能好壞的關鍵因素，能與氯丁橡膠并用的酚醛樹脂通常為甲階（或乙階）酚醛樹脂，且只能選擇可與之混溶的油溶性酚醛樹脂[4]。氯丁-酚醛橡膠膠黏劑的配制主要由基料、固化劑、填料、溶劑、防老劑等組成，酚醛樹脂和氯丁橡膠作為主體基料決定膠黏劑性能，必須具有良好的浸潤性與黏附性[1-2]。固化劑與基料聚合物直接或通過催化劑發生交聯反應，使膠黏劑聚合物的線型結構變成堅韌和堅硬的體型網狀結構。硫化促進劑可加快膠黏劑中樹脂固化反應速度、縮短固化時間以及降低固化反應溫度。通過選擇一定顆粒尺寸和適當范圍分布的填料，可以獲得一定的補強效果。如氧化鋅粉作為填料通常要求細度為200～325 目，填料粒子的活性表面與高分子鏈結合，會形成交聯結構，當其中一條分子鏈受到內部殘余應力作用時，可通過交聯點將應力擴散傳遞至其他分子鏈上，提高其力學性能[3]。另外，適當的填料不僅可以調節固化階段產生的體積收縮率，還可以減小熱膨脹系數差異，避免裂縫的進一步延伸，提高粘接強度。溶劑加入使膠黏劑具有良好的流動性和浸潤性，便于與其他組分混合均勻。防老劑（4010、264）的加入可以延長膠接件在外界環境下的使用壽命，減緩膠黏劑的老化[4-5]。

2.表面處理

表面處理是指通過化學、物理或機械手段對粘接物體的表面進行優化，以提高膠黏劑對材料表面的浸潤能力和粘著性能。表面處理的核心在于對物體表面進行清潔、粗化與活化，從而促進膠黏劑與物體表面之間的親和作用，實現高效、穩定的粘合。具體而言，表面處理旨在提升材料的表面粘著性能，確保膠黏劑能夠充分浸潤，從而達到最優化的粘接效果，其處理程度直接影響到粘接質量。在零件的加工與存儲過程中，其表面往往會因各種污染而導致表面張力下降，不利于膠黏劑的浸潤。常見的脫模劑與塵?？赡軙纬墒杷傻难趸瘜樱@不僅會使得材料表面結構變得松散，還會降低內聚力與結合力。同時，材料長時間暴露于空氣中還可能吸附水和氣體分子，導致表面潤濕性降低，進而影響粘接強度。針對上述問題的處理方法主要有打磨、超聲波清潔、除油以及酸洗除銹等。除了能夠有效提高材料表面的粗糙度增加粘接面積之外，還能實現機械嵌合，進而加強粘接強度。然而，粗糙度過大的表面也會帶來不利影響，如膠黏劑無法均勻分布于物體表面，造成粘接層不連貫，在凸起處會由于貧膠產生膠層的不連續點，在低凹處會積存水分或殘留空氣，最后使膠層產生氣泡等。為了保證處理效果，建議在表面處理完成后盡快進行粘接作業，或者至少在處理后的8 h 內完成粘合，以防止表面再次污染或性能退化，確保粘接品質。

3.粘接工藝

(1)配膠

膠接件表面處理后，需要進行調膠配膠。若膠黏劑在低溫的條件下儲存或者因冬春季倉庫溫度較低，涂膠前必須在操作場所放置至少12 h，使溫度平衡，更有利于浸潤[4-5]。對于填料較多，保存期限長，易產生沉降、分層等問題的膠黏劑，在使用時必須充分混合、攪拌均勻才能使用。含有揮發性溶劑的膠黏劑若由于溶劑的揮發黏度升高，則需適當加以稀釋[6]。多組分膠黏劑在配膠時，必須嚴格按規定配比稱取并混合攪拌均勻，各組分相對誤差應不大于2%～5%，配用量應根據使用環境溫度和實際用量，隨用隨配，一次配用量過多，釋放熱能大、易產生過早凝膠。對于配比中固化劑用量范圍較大的膠黏劑，夏天高溫應選用含量小的配方，反之選用含量高的配方。調膠時要充分攪拌，否則會固化不完全或者局部發黏發泡。

(2)涂膠與晾置

涂膠是指按正確的方式，選用合適的工具，將膠液涂敷于被粘接物體表面的過程。涂膠過程的精準程度，對粘接效果具有重要的影響。 選擇適當的膠液黏度，并針對其特性采取合理的調整措施，是確保涂膠成功的前提。例如，使用無溶劑型膠液時，一旦發現黏度偏高，可通過熱吹風的方式將粘接物表面加熱至40～50 ℃來降低黏度，從而能夠顯著提升粘接強度。而對于黏度過高的情況，則可以加入相應的稀釋劑來實現膠液的適度稀釋，以便于更好地浸潤粘結面。在膠液涂敷過程中，務必保持其均勻性，避免出現漏涂、堆積、氣泡以及貧膠區域等現象。涂膠時，應沿單一方向進行，避免反復涂抹，這樣可以防止膠液堆積、膠層不均和氣泡的包裹。涂敷速度宜適中，以保證膠層的均一性，有助于空氣的排除，從而避免氣泡的形成。通常情況下，兩個待粘接的物體表面都應涂敷膠液。涂膠的次數直接關聯到膠層的厚度及最終的涂膠量。膠層過厚，容易導致內部缺陷的增多，從而在固化過程中因膠層收縮造成內應力增加，將不可避免地降低粘接強度。反之，膠層過薄，則可能出現缺膠，特別是在被粘接物膨脹系數存在較大差異時，易導致形變應力的產生。因此，建議膠層的厚度控制在0.05～0.2 mm 之間，以確保膠層能夠充分浸潤界面，但又不至于過厚。對于溶劑型膠黏劑和多孔物質，通常需要重復涂膠2～3 次，并且每一次都需要等待前一次涂敷的溶劑完全揮發干燥后，方可進行下一輪涂膠。

膠黏劑涂敷后是否需要晾置以及晾置的條件和時間，據其性質而定。晾置的溫度受溶劑種類及其含量影響。溫度過低，膠液黏度大，溶劑揮發慢。通常室溫下晾置的溫度要求在15～30 ℃，有的需要先晾置一段時間再加熱，涂膠后一定不能馬上進行加熱固化，否則表面會產生硬皮阻止內部溶劑繼續揮發，影響粘接強度。對于快速固化型，室溫晾置時間越短越好。對于無溶劑型，要等到涂于表面的膠液呈透明無氣泡時才能裝配粘接，晾置最佳時間為3～5 min，晾置太久會降低粘接強度。對含溶劑型，應多次涂膠，確保溶劑充分揮發。晾置的目的是讓溶劑充分揮發，增加黏度，加速固化。晾置時間長短與溶劑揮發的速度有關。晾置時間過短溶劑揮發不完全，如存在乙醇、丙酮、醋酸乙酯、甲苯等溶劑的膠黏劑。反之，晾置時間過長膠液會失去黏性影響粘接強度。另外，由于涂膠過程會不可避免地裹入空氣形成氣泡，所以涂膠后不能立馬粘合，否則會造成粘接強度下降。晾置環境要干凈、干燥、通風良好，其中以環境濕度最為重要，濕度大會使水汽凝聚于表面而降低粘接強度，尤其氯丁橡膠更容易受濕度的影響，因此通常環境濕度以不超過70%為宜。

(3)粘接

粘接是將涂膠后或經過晾置的被粘物表面合攏在一起的過程。對于無溶劑型，粘接后最好對準位置，往復錯動幾次，以便緊密接觸時迅速排除空氣。對于溶劑揮發型，粘接時必須看準時機，一次性準確固定位置，粘接不能過早或過晚，且不可來回錯動。一些快速固化或初始黏度較大的膠，粘接時可采用按壓、滾壓等方式幫助排出氣體，密實膠層。以粘合后能擠出微小膠圈為宜，說明不缺膠，如果發現粘接件缺膠或有小縫，應立即補膠填充。

(4)固化

膠黏劑的固化，也稱硬化，是指由一系列溶劑揮發、乳液凝結等物理變化及交聯、接枝等化學反應所產生的固態轉變。固化后的膠黏劑具有一定機械強度。在膠接工藝中，固化是決定粘接質量的核心環節。充分且適當的固化，才能確保膠層的強度性能。固化過程可分為三個階段：初固化、基本固化和后固化。初固化，即凝膠階段，是指膠層表面已不黏手且呈硬態，但強度尚不足，固化仍在進行中；基本固化，反應進展至多數基團交聯，膠層強度達到最低使用標準，此時可進行后續加工；完全固化，或稱后固化，此時反應基本完成，強度達到最高，內應力得以消除。為確保膠層固化質量，需關注固化過程中的溫度、時間和壓力。固化溫度指膠接件固化過程所需要的溫度，對固化速率及最終的膠接性能具有決定意義。例如，大部分氯丁膠在常溫下即可固化，而適當提高溫度不僅可以縮短固化周期，而且還能提升膠接強度、耐化學腐蝕性與耐高溫性能。升溫固化時，應當注意加熱速率適中、均勻，以便反應能適應溫度變化。升溫固化不能在粘接后立馬進行，必須在初固化（凝膠）后才能加熱。過早升溫會因膠黏劑黏度驟降、流動性增大導致溢膠，影響固化效果，造成貧膠現象，甚至出現錯動。固化結束后，過快冷卻則可能因材料熱脹冷縮特性差異，造成熱應力產生，甚至導致粘接失敗。

除固化溫度，固化過程需要施加一定的壓力，使膠層與被粘物緊密接觸，厚度均勻，還能改善浸潤性、擴散性和滲透性，更有利于排除空氣，防止膠層分離和缺陷產生。壓力大小與膠黏劑自身性質相關。分子量小，流動性好，固化過程不產生低分子物，只要接觸壓力即被粘物自身質量產生的壓力。固化過程放出低分子物，通常要施加0.1～0.3 MPa 的壓力以獲取良好的浸潤性。壓力太小不起作用，壓力太大，膠層太薄，粘接強度下降。另外加壓時機要合適，一定要在初固化（凝膠）后才可以施加壓力，且加壓要均勻一致。固化時間是指一定的溫度和壓力下，膠層固化所需的時間。同一種膠液，配方不同，固化時間也會有差異。固化時間長短與固化溫度密切相關。升溫固化的時間一定要從膠層達到規定溫度開始計時，只有保證足夠的固化時間才能固化完全，獲得最大粘接強度。

4.結論

氯丁-酚醛橡膠膠黏劑是由熱固性對叔丁基酚醛樹脂經過改性，與氯丁橡膠復合而成，展現出良好的粘接效果。不同的表面處理工藝將直接影響粘接強度，在實際應用中應當遵循相關規范。且在處理完畢后需迅速進行粘接作業，以避免表面狀態變化影響粘合效果。

膠黏劑使用前要進行溫度平衡，配制時要充分攪拌均勻，膠液黏度太大，可用稀釋劑加以稀釋。涂膠應順著一個方向均勻涂抹，膠層厚度以0.05～0.2 mm為宜，在保證不缺膠條件下，膠層應盡量薄些。宜采用2～3 遍多次涂膠，要確保前一遍膠液溶劑完全揮發后才能進行下一遍涂膠。粘接時必須看準時機，一次性準確固定位置，不可來回錯動。粘合后以擠出微小膠圈為宜。固化加壓應在初固化后施加，加壓要均勻一致，升溫固化溫度要適宜、升溫速率要分階段緩慢。固化時間要以膠層達到規定溫度才能計時，固化結束后要隨爐冷卻至室溫后才能卸壓。