天然橡胶与金属热硫化粘接工艺研究

孙永国, 韩文彬, 姚其胜

（上海康达化工新材料股份有限公司, 上海 201201）

0 前 言

目前，橡胶硫化粘接复合体系已被广泛应用到许多工业领域，如在汽车NVH（噪声、振动和声振粗糙度）、机车及铁路减振、港口码头及油田的防护及化工产品运输等应用领域中，要求部分零部件兼具刚性和弹性，以降低设备使用过程中产生的摩擦、噪音、振动，提升密封性能，增强防腐能力。

同时由于天然橡胶在常温下具有较高的弹性，还稍带点塑性，具有非常好的力学强度，滞后损失小，在多次变形时生热低，耐屈挠性好，并且因为是非极性橡胶，其电绝缘性能也好。尤其其还具有优良的回弹性、绝缘性、隔水性及可塑性等特性，并且经过适当处理后还具有耐油、耐酸、耐碱、耐热、耐寒、耐压、耐磨等宝贵性质，因此被广泛用于上述领域。

橡胶和金属是差别极大的两种材质，胶粘剂作为二者的粘接过渡层，对性能的要求非常高。在橡胶与金属的粘接过程中，由于橡胶存在流动性、变形性，因此其粘接机理较为复杂。对于橡胶与金属的粘接机理，目前主要的粘接理论有吸附理论、机械作用理论、扩散渗透理论、静电理论、电磁理论、共交联理论等[1-2]。在选择优异的胶粘剂的同时，一个适当的硫化工艺条件不仅能提高工作效率，而且能节约成本、降低废品率。

1 实 验

1.1 主要原材料

二甲苯，金山石化；甲基异丁基甲酮，昆山诚信化轻材料有限公司；氯化橡胶，拜尔材料科技（上海）管理有限公司；酚醛树脂，自制；炭黑N774，卡博特；钛白粉R930，日本石原；促进剂，自制；氧化锌，上海京华化工厂；四氯乙烯，上海凌峰化学试剂有限公司；天然橡胶混炼胶，苏州同捷斯材料科技有限公司；45#钢。

1.2 实验配方

经过多次配方优化及工艺试验，最终确定了胶粘剂的配方（单位：份）：底胶为二甲苯 25，氯化橡胶 5，甲基异丁基甲酮 50，酚醛树脂 10，炭黑 2，钛白粉 3；面胶为二甲苯 50，四氯乙烯25，炭黑 2，氯化橡胶 15，氧化锌 6，促进剂 2。

1.3 主要仪器与设备

DSC 1型差示扫描量热仪，METTLER TOLEDO公司；DEF-6020型干燥箱，上海慧泰仪器制造有限公司；MCR型流变仪，Anton Paar公司；平板硫化机，上海齐才液压机械有限公司；CMT型电子拉力试验机，深圳新三思材料检测有限公司；6050A喷砂机，世锐机械设备有限公司。

1.4 工艺流程

1.5 性能测试

试样的性能按照GB/T 7760—2003标准进行测试。

2 实验数据及分析

2.1 胶粘剂性能分析

将面胶倒在玻璃板上，自然晾干。用所得到的干膜作为DSC的分析试样。DSC曲线详见图1。

从图1中可以看出：DSC曲线开始偏离基线，表明硫化反应开始；放热峰所对应的温度说明在这一温度附近硫化反应速度最快。胶粘剂的活化反应温度在120～210 ℃，最大反应活性温度在198 ℃。由此可以看出该胶粘剂的使用温度为120～210 ℃，适用温度范围较广。

2.2 橡胶性能测试

本试验选用苏州同捷斯材料科技有限公司生产的天然橡胶混炼胶。图2所示为不同温度下天然橡胶混炼胶贮能模量G'随时间的变化。

图1 所制胶粘剂面胶的DSC扫描分析

从图2可以看出：在不同温度下达到最佳硫化所需的时间不同，从右到左的曲线所示分别为130～180 ℃条件下的橡胶特性。从中可见：温度越高，硫化时间越短。但在不同温度下硫化时橡胶表现出的贮能模量G'也不相同，温度越低则最终的G'越高。我们都知道，低温长时间硫化可以保证橡胶的优良性能。

图2 不同温度下天然橡胶混炼胶贮能模量G'随时间的变化

2.3 橡胶硫化粘接性能测试

2.3.1 不同温度对粘接性能的影响

在压力15 MPa、温度130～190 ℃条件下硫化胶料20 min，可以得出如表1所示的物理性能数据。

从表1可见：在130～190 ℃范围内，硫化温度对胶粘剂粘接活性的影响不大，都有较好的粘接力，但是温度对橡胶的影响较大，高温硫化时交联密度下降，温度越高，橡胶自身的力学性能下降越大。

表1 不同温度对粘接性能的影响

2.3.2 不同硫化时间对粘接性能的影响

在压力15 MPa、温度150 ℃条件下硫化胶料8～60 min，可以得出如表2所示数据。

表2 不同硫化时间对粘接性能的影响

交联和氧化断链两种反应贯穿于橡胶硫化过程的始终，随着时间的推移，天然橡胶由于氧化断链反应程度较强，其各项物理性能下降，与图2的测试结果相呼应。所以在150 ℃条件下最佳硫化粘接时间为8～30 min。

2.3.3 不同工艺条件对粘接性能的影响

根据图2的性能测试结果，在15 MPa压力下，以采用不同温度下达到最佳硫化粘接效果的最少时间作为硫化时间，可以得出表3所示数据。

由图2及表3可见：随着温度的升高，所需要的硫化粘接时间大大缩短，可以大幅度提高实际生产的工作效率。当温度超过190 ℃时，短时间内橡胶分子链就会发生热裂解，力学性能急剧下降，导致橡胶拉断。

表3 不同工艺条件对粘接性能的影响

3 结 论

所研制的热硫化胶粘剂适用范围广，在用于天然橡胶与金属的粘接时，要注意根据混炼胶自身的特性来选择相应的工艺条件。硫化温度和硫化时间对其粘合强度有明显的影响。在实际生产中，可根据混炼胶的配方和设备的产能优化合适的硫化条件，以满足生产的实际需求。

[1]李昂. 粘接与胶粘剂[J]. 特种橡胶制品, 2003, 24(6):58-61.

[2]夏文干, 蔡武峰, 林德宽. 胶接手册[M]. 北京:国防工业出版社, 1989.