改善橡胶与金属骨架粘合性能的工艺研究

恨天不高 · 发表于 2012-11-9 09:36:38

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改善橡胶与金属骨架粘合性能的工艺研究

郑　晖，曾凡伟，刘志坡，孙军平，刘兆栋，黄晓红
（中国北车集团青岛四方车辆研究所，山东青岛　２６６０３１）

摘要：以橡胶堆的生产工艺为例，研究了工艺因素对橡胶与骨架粘合强度的影响。从金属骨架表面处理工艺、粘合工艺、橡胶硫化工艺等方面，改进了影响橡胶与金属粘合强度的工艺。结果表明，新工艺生产的产品粘合性能得到较大提高，满足产品在苛刻环境下的工作要求。
关键词：骨架表面处理；粘合强度；粘合工艺；硫化工艺；橡胶／金属
中图分类号：ＴＱ３３０．５２；ＴＱ３３６．４＋３　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００５－４０３０（２０１２）０５－００５７－０４
减震橡胶件产品通常采用橡胶与金属等刚性材料相互复合制备而成，这种复合结构能同时利用橡胶的弹性以及金属的刚性，使橡胶制品获得更高的强度和耐久性［１］。空气弹簧用橡胶堆，是一种应用于轨道机车上的减震橡胶件，动态场合对橡胶件的性能有苛刻的要求，橡胶堆产品中，橡胶与骨架的粘合强度是满足产品使用性能以及安全要求的关键因素。合格的产品必须保证在任何条件下，橡胶与金属骨架都要合为一体，当不可避免发生破坏时，理想的破坏情形是发生在橡胶本体之间，因此研究橡胶与金属骨架的粘合性能，对减震橡胶制品具有重要意义。
本工作研究了工艺因素对橡胶与骨架粘合性能的影响，并以一种橡胶堆的生产工艺改进方案为实例，研究了提高橡胶与骨架粘合性能的工艺因素。产品结构剖面示意图见图１。该种锥形橡胶堆，在使用过程中由于频繁地受到剪切力，使得橡胶与金属骨架之间的粘合层容易成为最先破坏的破坏源，可靠的粘合性能是该产品生产的技术难点和重点。本公司沿用原有工艺存在生产效率低、产品质量不稳定、合格率低以及浪费严重等缺陷，对影响粘合性能的各个工艺因素进行了系统研究，对研究结果进行理论分析后，结合生产现状，确定了新生产工艺。新生产工艺生产效率高、产品合格率高，产品的性能波动小、质量稳定，取得了良好的经济效益。

１　实验部分
１．１　原材料
ＮＲ，ＲＳＳ　ＮＯ．１，海南天然橡胶产业集团股份有限公司产品；炭黑，Ｎ３３０、Ｎ７７４，青岛德固赛化学有限公司产品；加工助剂、防老剂以及硫化剂均为莱茵化学（青岛）有限公司产品；其他配合剂均为市售工业级产品。
１．２　基本配方
ＮＲ，１００（质量份，下同）；活化剂（氧化锌、硬脂酸），２～５；加工助剂（莱茵蜡Ａｎｔｉｌｕｘ　６５４、分散剂Ａｔｆｌｏｗ　Ｌ－１８），２～５；防老剂（防４０２０、防ＲＤ），１～１０；炭黑（Ｎ３３０、Ｎ７７４），２０～６０；硫化剂（促ＤＭ、促ＣＺ、硫黄），１～５。
１．３　主要仪器和设备
２００ｋＮ橡胶弹簧蠕变试验台，型号ＺＮＹ２００ｋＮ，深圳新三思材料检测有限公司；１００ｋＮ橡胶弹簧静刚度试验机，型号ＷＤＷ３１００，长春科新试验仪器有限公司；２００ｔ硫化机，型号ＹＭ－Ｉ２００，无锡阳明橡胶机械有限公司；３００ｔ注压硫化机，型号ＹＭ－Ｉ３００，无锡阳明橡胶机械有限公司；电液伺服疲劳试验台（２０ｔ作动器），型号ＺＮＹ２０Ｂ，深圳新三思材料检测有限公司。
１．４　试验方法
刚度试验方法：对橡胶堆垂向加载一定载荷，加载速度８０～１２０ｍｍ／ｍｉｎ，反复３个循环，第３个循环时记录载荷－位移曲线（上升曲线），由此确定橡胶堆在载荷５０～１００ｋＮ时的垂向静刚度。
拉伸试验方法：将橡胶堆垂向拉伸至一定位移，在最大位移处保持５ｍｉｎ，记录拉伸载荷－位移曲线，试验后，检查橡胶堆有无开胶、损伤、裂口等缺陷。
拉伸破坏试验方法：对橡胶堆垂向进行拉伸，直至橡胶堆破坏，检查破坏面是否有金属外露、橡胶分层等异常现象。
垂向疲劳试验方法：将橡胶堆垂向加载一定载荷，振动频率２～５Ｈｚ，直至橡胶堆失效破坏（橡胶严重开裂、橡胶与金属严重分离等）或试验曲线中垂向载荷发生突变，记录垂向疲劳次数。
２　工艺改进方案
原工艺流程为：抛丸→溶液超声浸洗→蒸气洗→刷涂底胶→刷涂面胶→硫化→产品。新工艺流程为：预蒸气洗→抛丸→溶液超声浸洗→蒸气洗→喷涂底胶→干燥→喷涂第１遍面胶→干燥→喷涂第２遍面胶→干燥→烘骨架→硫化→产品。
各工序调整的依据如下。
２．１　金属骨架的表面处理工艺
为保证粘合牢固，必须将金属沾染的油脂、锈迹和杂质清除，金属骨架表面处理的好坏，直接影响橡胶与金属的粘合强度和耐久性。
清洗过程中，清洗液的浓度与清洗效果呈非线性关系，因此通过增加清洗剂浓度提高清洗效果的方法不理想，如果一次清洗效果不好，通常采用二次或多次清洗的方法，不用增加清洗剂浓度，但能够取得良好的效果。通过预蒸洗处理，骨架表面的油渍大部分被去除，加上后面的浸洗和蒸洗，基本能保证彻底清除油污。选用预蒸洗的依据是：溶液清洗时，油污对清洗液的污染严重，浪费比较大，清洗若干次后清洗效果迅速下降；而蒸气洗污染小，清洗效果不受清洗次数的影响，所以最终选用蒸气洗作为预清洗的工艺方案。
骨架的表面抛丸处理能有效清除锈蚀与杂质，增加骨架表面的粗糙度，从而增加橡胶与金属骨架的粘合面积。抛丸所使用过的钢丸，粒径经检测合格可以反复回收、循环使用，在原工艺中没有预清洗工序，沾染油污的金属骨架直接与钢丸接触，这样就使得回收后的钢丸沾染了大量油污，并随着回收次数的增加，沾染的油污会累积增多，这时的钢丸就会成为骨架沾染油污的一个“污染源”，使得骨架污染加重，给后续的金属骨架清洗增加困难。预清洗工序的一个重要作用是使钢丸免受污染，避免成为骨架沾染油污的一个“污染源”，有利于油污的去除。芯轴采用履带式抛丸设备处理，隔板、外套直接采用履带式抛丸设备处理时，在滚动过程中会相互叠套在一起，出现抛丸“死角”效果不理想。抛丸之前将３～４个隔板呈一条直线捆绑到一起，可以避免出现相互叠套在一起的现象，外套改用悬挂式抛丸设备，通过悬挂角度的调整，能得到高效的抛丸效果。处理过的金属骨架通过放大镜观察，表面处理比较均匀，除锈效果较好，粗糙度测量在规定范围之内。
２．２　粘合工艺
粘合剂粘合法是目前常用的橡胶与金属的粘合方法，对于机械性能要求一般的制品可采取先涂底胶再涂一遍面胶的涂胶工艺，如果制品的机械性能要求苛刻，则可以采用先涂底胶再涂两遍面胶的涂胶工艺［２］，这样可以保证粘合剂面涂胶层的厚度和均匀性，在硫化过程中会有更多的粘合剂迁移到橡胶相中，从而在粘合剂－橡胶之间生成更多的交联键，有助于粘合强度的提升。
粘合剂经高温硫化后形成的固化层通常脆而硬，考虑到该产品使用时会受到较高频率的剪切力，“生长”在粘合剂固化层上的橡胶分子链受剪切力变形时，其根部固化层特别是面涂胶层柔韧性不足容易使橡胶分子链由根部“拉断”，经供应商推荐将原来的面涂胶Ｃｈｅｍｌｏｋ２２０改用柔韧性较好的Ｃｈｅｍｌｏｋ２５２Ｘ。
涂胶操作过程中，在涂下一遍胶之前，要保证上一遍胶彻底干燥，避免与金属粘合性能不佳的面胶渗透到金属骨架表面影响粘合效果，可以采用烘干的方式加快干燥。采用喷涂设备可以更好地达到各处粘合剂厚度均匀，粘合剂厚度控制标准为底涂胶５～１２μｍ，面涂胶１２～２５μｍ，底涂胶与面涂胶的厚度之和１７～３７μｍ。
２．３　硫化工艺
在橡胶硫化、粘合剂固化期间，需要足够的压力使粘合剂与混炼胶紧密接触，提高胶料与骨架材料的粘合强度。根据产品特点，由产品的最大投影面积计算所需的硫化压力后，决定将设备的锁模压力由１５ＭＰａ提高到２０ＭＰａ。
温度对粘合剂与橡胶之间扩散以及共交联有重要的影响，大多粘合剂充分活化的临界温度为１３５℃，根据模具的传热特点，模具中心的温度会比硫化设备热板的温度低，为了让模具中心的温度达到粘合剂充分活化的温度，将上／下热板的温度分别设定为１６０℃／１６５℃，上热板温度较低，主要考虑到避免胶料经上热板流道注入模具生热过大，引起早期焦烧现象。
温度提高后调整橡胶配方，延长了焦烧时间和正硫化的平坦期，以避免高温注胶过程出现的焦烧现象以及高温长时间硫化出现的硫化返原现象。
研究还发现，硫化之前，对涂粘合剂的芯轴及外套在一定温度下预热，使粘合剂预固化可以明显增加金属与橡胶的粘合强度。
３　结果与讨论
３．１　橡胶堆刚度及最大拉伸力试验
工艺更改前、后随机抽取各５件橡胶堆进行刚度及最大拉伸力试验，结果见表１。

由表１可知，根据技术要求，垂向刚度在１６１５～２１８５Ｎ／ｍｍ为合格，更改前、后橡胶堆的刚度性能均满足技术要求；最大拉伸力大于５０ｋＮ为合格，更改前有１例橡胶堆（４号）粘接力不合格；更改后橡胶堆的刚度和拉伸力较更改前均有所增加。
３．２　橡胶堆拉伸破坏试验
随机抽取工艺更改前、后各５件橡胶堆进行拉伸破坏试验，橡胶堆拉伸破坏试验结果见表２。更改前橡胶堆的拉伸断裂层面为橡胶与金属骨架之间，广泛存在薄层附胶及大面积露金属现象，分析原因可能为：（１）骨架表面处理不到位，存在残留油痕或者锈迹导致粘合剂无法牢固附着在骨架表面造成粘合不良；（２）涂粘合剂过程中，底胶未干燥就涂面胶，会使面胶渗透到骨架表面造成粘合不良；（３）硫化压力小，使得粘合剂与橡胶之间的接触力不足，两者之间相互扩散程度较低，硫化后粘合强度较低；（４）硫化温度低，导致粘合剂与橡胶硫化不同步，两者之间产生的共交联键不足，使得粘合剂与橡胶之间附着力小。经过系统工艺更改，新工艺生产的橡胶堆断消除了粘合剂从金属表面剥离的现象，同时也不再存在薄层附胶现象，破坏发生在橡胶本体内，达到了与进口原型件相同的粘合效果。

３．３　橡胶堆垂向疲劳试验
随机抽取工艺更改前、后各５件橡胶堆进行垂向疲劳试验，结果见表３。对橡胶堆进行垂向疲劳试验，直至橡胶堆失效破坏。根据记录的疲劳次数可知，原工艺所生产橡胶堆强化疲劳次数为１～３万次。经过系统的工艺更改，新工艺生产的橡胶堆强化疲劳次数均超过１０万次，进口原型橡胶堆强化疲劳次数约为８万次，可见新工艺生产的橡胶堆抗垂向疲劳的性能超过了进口的原型件，达到了更高的标准。

４　结论
在减震橡胶制品这类橡胶与骨架复合材料的生产过程中，粘合是最重要的性能指标，但粘合涉及多组分体系之间相互作用，导致影响粘合的因素错综复杂，几乎涉及到了每一个工艺环节。通过对骨架的表面处理工艺、粘合工艺及橡胶硫化工艺等进行系统地改进后，极大地提高了产品性能和可靠性，对各工艺进行严格控制后也保障了产品性能的稳定性，产品性能的提高、合格率的提高以及生产效率的提高，都为降低产品成本、提高产品竞争力、创造更高经济价值提供了保障。
参考文献：
［１］汪凌燕．天然橡胶与金属热硫化粘接机理及工艺参数优化研究［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１０．
［２］伍华东，廖洪军．钢骨架表面的抛丸处理及涂胶工艺研究［Ｊ］．橡胶工业，２００４，５１（１１）：６８８－６９０．

恨天不高 · 发表于 2012-11-9 09:40:26

怎么没有图片和表格！再发一个附件吧！

stoneavid · 发表于 2012-11-9 09:45:52

感谢楼主分享~

kmlt_lplxh · 发表于 2012-11-9 09:46:29

楼主辛苦了

长夜漫漫 · 发表于 2012-11-9 09:47:55

感谢楼主分享资料

arron_mao · 发表于 2012-11-9 09:55:10

"根据记录的疲劳次数可知，原工艺所生产橡胶堆强化疲劳次数为１～３万次。经过系统的工艺更改，新工艺生产的橡胶堆强化疲劳次数均超过１０万次，进口原型橡胶堆强化疲劳次数约为８万次，可见新工艺生产的橡胶堆抗垂向疲劳的性能超过了进口的原型件，达到了更高的标准。"
原文来源：橡胶技术网 http://bbs.sto.net.cn/thread-131899-1-1.html

arron_mao · 发表于 2012-11-9 10:28:48

虽然我说话武断了点，但是从文章的这一句就可以断定这篇文章没有研究的意义了。做过减震疲劳产品的都知道，疲劳能一下子提高这么多，纯粹胡说八道

曹工 · 发表于 2012-11-9 10:49:41

资料不错，谢谢分享！！

胶皮糖 · 发表于 2012-11-9 11:14:36

这个文章意义不大
配方中没有软化剂
加那么多分散剂影响粘结强度
实际的产品是橡胶锥套地铁客车的活动关节
压力可以增加胶料致密性但是增加不了那么大的刚度
205与252的粘结强度差距没有那么大
产品的关键是金属外套的收缩量合适才可以决定刚度与疲劳特性（胶料工艺一定为前提）
不懂瞎拍请胶友拍

zhouyu · 发表于 2012-11-11 16:42:57

看过总是感谢

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