船用胶粘剂粘接工艺

袁德辉，杨小敏

(武昌船舶重工有限责任公司，湖北 武汉 430060)

0 引言

首次应用于某型船舶产品上的1种新型常温固化单组份船用胶粘剂(以下简称胶粘剂)，为了摸索一套适宜的施工工艺参数，使粘合强度达到规定的技术指标(≥1.5 MPa)，在使用前，我们进行了一系列粘接工艺试验研究。

1 试验内容、方法及试样

工艺研究的主要内容是对粘接施压载荷和时间的优选，以及单位面积胶粘剂用量的控制。

试样采用标准规定的型式，即粘接面为φ40 mm的圆形截面试样［1］。以橡胶和钢为被粘材料，用胶粘剂粘接成拉伸试样(见图1)。为了便于试样的装夹与对中，设计制作了1套专用夹具。

试验设备:AG－IS250电子万能试验机，日本岛津公司;AX504电子天平，瑞士梅特勒公司。

参照GB/T11211－1989《硫化橡胶与金属粘合强度的测定－拉伸法》测试试样的拉伸粘合强度，拉伸试验速度为50 mm/min。

2 施压载荷和施压时间试验

根据文献［2－3］，粘接试样时，垂直试样粘接面施加一定的载荷，能影响试样的粘合强度。因为对粘接试样施加载荷，可以促进胶粘剂对被粘物表面的湿润，提高胶粘剂对被粘物表面微孔的渗透和扩散作用，同时，加压有助于排出胶隙内空气［4］。根据预先进行的几次摸索试验结果和与胶粘剂生产厂家沟通了解的情况，首先进行了施压载荷和施压时间与粘剂强度关系的研究试验。

图1 橡胶与钢粘接成的拉伸试样示意图Fig.1 Tensile specimen for bonding of rubber and steel

2.1 试验程序

1)按施工要求对金属和橡胶垫的粘接表面进行打磨、丙酮清洗等处理。

2)在金属和橡胶垫的粘接表面均匀涂刷一层胶粘剂(用量要少)，待达到指触干时，一次粘合贴紧。

3)试样粘接完成后，采用砝码对试样均匀施加不同的载荷和不同的时间，并将施压载荷1 000 N，施压时间1 h作为初始参照值。为使施压均匀和增大良好结合面积，在试样的上下增加1块软垫，加载方式见图2。

4)施压完成后，将试样静置24 h后，按GB/T 11211－1989的要求进行拉伸试验测定粘合强度。

图2 加载方式图Fig.2 Loading method

2.2 试验结果

对采用不同施压载荷和施压时间参数的各组(1组3件)试样，按上述试验程序进行试验，试验结果及其参数见表1。

2.3 试验结果分析

以施压时间为横坐标、施压载荷为纵坐标，作施压载荷与时间关系曲线图，见图3(为了图面不至太大，工艺1－7和1－8的数据未列入图中)。

由图3可见，对于这种粘接面积为φ40 mm圆截面试样，要满足粘合强度≥1.5 MPa的规定，就必须在图3所示曲线的上方区选取各工艺参数，即施压载荷和施压时间数据对。显而易见，随着施压载荷的降低，所需施压时间要增加，方可满足粘合强度不＜1.5 MPa的要求。

表1 不同施压载荷和时间试验结果Tab.1 Test results of different compression load and time

图3 施压载荷—施压时间关系曲线Fig.3 Relation curve of compression load and time

为了实际中不同截面积试样的应用方便，将单位面积上的压力标在图3右边的纵坐标上，这样，只要在图3所示曲线的上方区选取工艺参数——施压压力(而不是总载荷)和施压时间数据对，不同截面积的试样的粘合强度均可满足不＜1.5 MPa的要求。

3 单位面积胶粘剂用量控制试验

在施工过程中，胶粘剂的厚度是一个非常重要的技术参数，是决定粘合强度的重要因素之一。在试验过程中，胶层厚度不易测试，故采用了重量法来控制胶层的厚度［5－6］，即φ40 mm圆形粘接面积上的胶粘剂质量(4个面涂胶)。

3.1 试验程序

1)按施压载荷试验程序1)要求对粘接面进行表面处理后，用分析天平称量每件试样的质量(包括金属部件和橡胶垫)并记录为M1。

2)每种工艺按施压载荷试验程序2)制作5个试样为1组。为了找到合适的胶粘剂用量，各组试样采用不同的胶粘剂用量进行粘接。

3)试样粘接完成后按施压载荷试验程序3)进行施压，施压载荷为221 N(选择较低的施压载荷是考虑到实际应用的方便)、施压时间为5 h，参见图2。

4)试样5 h施压完成后，用分析天平称量试样质量M2，并计算每件试样的胶粘剂用量M=M2－M1。

5)按施压载荷试验程序4)的要求测定各试样的粘合强度。试验完成后，观测试样的结合程度，并计算5个试样的平均胶粘剂质量和平均粘合强度。

3.2 试验结果

试验结果列于表2。需要说明的是，试样质量是在施压完成后称量的，因此得到的是胶粘剂干后质量，没有考虑5 h内的挥发量。计算单位面积的胶粘剂质量时，因每个试样有4个涂胶面(上、下金属件表面和橡胶垫2个面)，故总面积是φ40 mm圆截面积的4倍。

表2 胶粘剂用量工艺试验结果表Tab.2 Test results of adhesive dosage

3.3 试验结果分析

1)观察试样的拉脱面发现，试样的结合程度与涂刷胶粘剂的均匀度有关。在相同的工艺下，胶粘剂涂刷越均匀，试样的结合程度越好，粘合强度也越高。

2)粘合强度－胶粘剂质量关系曲线见图4。可以看出，试样粘合强度随胶粘剂用量的增加而降低。胶粘剂质量超过一定量时，粘合强度下降速度加快。

从图4的曲线可知，要满足粘合强度不＜1.5 MPa的要求，对于φ40 mm的圆截面试样，其胶粘剂总质量必须＜0.16 g，即63.65 g/m2(双面)。

图4 粘合强度－胶粘剂质量关系曲线图Fig.4 Relation curve of bonding strength and adhesive mass

为了实际中不同截面积试样的应用方便，将(双面)单位面积上的胶粘剂质量(g/m2)标在横坐标下面括号中，见图4。

4 结语

1)试样的粘合强度与粘合面结合程度密切相关，试样的结合程度又与涂刷胶粘剂的均匀度有关。在相同的工艺下，胶粘剂涂刷越均匀，试样的结合程度越好，粘合强度也越高。

2)要满足粘合强度≥1.5 MPa的技术要求，随着施压载荷的降低，所需施压时间就要增加。但根据施工的不同情况，只要通过查阅图3并在图3所示曲线的上方区选取工艺参数——施压载荷和施压时间，粘合强度应可满足不＜1.5 MPa的要求。

3)在施压载荷为221 N、施压时间为5 h条件下，试样粘合强度随胶粘剂用量的增加而降低，当胶粘剂质量超过一定量时，粘合强度下降很快。但只要按图4，将单位面积胶粘剂用量控制在21.64～59.43 g/m2(双面)，其粘接强度应可满足不＜1.5 MPa的要求。

［1］GB/T11211－1989，硫化橡胶与金属粘合强度的测定－拉伸法［S］.

［2］张晓玲，林新志.氯丁胶粘剂拉伸粘接强度影响因素的探讨［J］.材料开发与应用，2006，21(3):34 －35，42.

［3］宋丙红，莫建华，李海宏.环氧树脂胶粘剂工程技术研究［J］.中国胶粘剂，2010，19(5):33 －35.

［4］廖宏，田春蓉，杜自卫.工艺条件对拉伸试件粘接强度分散性的影响［J］.粘接，2006，27(6):17 －19.

［5］邹德荣，刘京，宋铭，等.丁腈橡胶材料粘接技术研究［J］.航天制造技术，2008，(1):58 －60.

［6］杨丹，张宇驰，刘京，等.金属/丁腈橡胶粘接工艺试验［J］.粘接，2006，27(4):45 －46.