橡胶与金属热硫化粘接工艺的过程控制

2016-04-27孟宪印陈猛姚坤经于丽聪范燕芬张会莲青岛海力威新材料科技股份有限公司山东青岛663青岛新能橡胶制品有限公司山东青岛6600

世界橡胶工业 2016年1期

关键词：过程控制胶粘剂橡胶

孟宪印,陈猛,姚坤经,于丽聪,范燕芬,张会莲(.青岛海力威新材料科技股份有限公司,山东青岛 663;.青岛新能橡胶制品有限公司,山东青岛 6600)

橡胶与金属热硫化粘接工艺的过程控制

孟宪印1,陈猛1,姚坤经1,于丽聪1,范燕芬1,张会莲2
(1.青岛海力威新材料科技股份有限公司,山东青岛 266113;
2.青岛新能橡胶制品有限公司,山东青岛 266100)

摘要:介绍了橡胶与金属热硫化胶粘剂包括贮存、稀释、基材处理、涂布、预固化、半成品存放等在内的使用过程中应注意的问题,以及相关的生产加工设备、相关检验设备。

关键词:橡胶;金属;热硫化;胶粘剂;过程控制

0 前言

橡胶和金属是两种不同性质的材料,将两者很好地粘接可以制得具有不同构型和特性的复合件。这种复合体系在工业中有着广泛的用途,如汽车工业、机械制造业、固体火箭发动机的柔性接头、桥梁的支撑缓冲垫、发动机的支撑座等等。橡胶与金属之间的化学结构和力学性能存在巨大的差异,为了获得两者之间高强度的粘接,除了研制新型的胶粘剂之外,还必须严格控制胶粘剂的使用过程,包含贮存、稀释、检测、涂布、固化、半成品存放等过程。这样才可以保证产品达到设计质量,从而保证产品的一致性。

橡胶加工工厂对橡胶与金属的热硫化胶粘剂不会陌生,但是对于橡胶与金属的热硫化胶粘剂的使用和过程控制,却不见得得心应手。从使用流程入手,介绍了橡胶与金属热硫化胶粘剂使用过程中应注意的问题,以及相关生产加工设备、相关检验设备,以期能够对相关的操作起指导作用,同时也为解决橡胶与基材粘接问题提供参考。

1 使用流程

以橡胶加工厂使用的过程进行划分,橡胶与金属热硫化胶粘剂的使用工序一般为:胶粘剂贮存￫胶粘剂稀释￫胶粘剂检测￫粘接基材处理￫胶粘剂涂布￫胶粘剂预固化￫半成品存放￫粘接能力检测。

2 各工序操作要点及相关设备和检验手段

2.1 胶粘剂贮存

橡胶胶粘剂一般为易燃易爆的化学品,对贮存空间的要求较高:存放区域应有明显的标示;存放区应可通风,并可进行温湿度调节;在存放区内,应放置一定量的沙土、沙子,用于应急灭火;胶粘剂的存放应分类、分堆,堆垛不得过高过密,堆码之间应留出一定间距;不允许贮存空间没有遮阳或者顶棚,使胶粘剂被太阳直射或者雨雪浇淋;对于性质不稳定、容易分解和变质以及混有杂质而引起燃烧爆炸的胶粘剂,应经常进行检查、测温、化验,防止自燃爆炸;区域内应明确标示禁止吸烟、禁止火种。

对于原包装的未开封胶粘剂,贮存时对温湿度的要求不高,一般温度在0～40 ℃、湿度以包装体表面在温度变化时不能形成凝露为限。但是对于已经开封、使用后再密闭的,建议的贮存空间温度为15～30 ℃,湿度以小于80%为宜。

胶粘剂的说明书上会标有有效期,但指的是未开封状态下、或开封后立即密封保存的条件下的有效期。胶粘剂经过稀释后,其有效期比原液的要短。

胶粘剂的有效期一般会设定得比较短,能够保证胶粘剂在极限贮存条件下,经过这段时间也能保持原有的粘接性能。工厂在实际使用时,由于各种原因,很容易出现还没有使用完就超有效期的现象。针对这一现象,给出以下建议方案:因为工厂在贮存时一般不会达到极限条件,同时若原液在贮存时一直处于密封状态,可以取部分样品进行粘接试块试验或者产品粘接试验,确定其粘接能力。如果达到要求,即可以使用。使用时要严格控制生产过程的工艺,减少过程变差来源,保证过程稳定。同时也应注意根据每次的使用量进行配制,尽量避免使用剩余。还应对产品适当增加粘接检验频次,确保产品质量。以笔者的经验来看,部分胶粘剂到达有效期1.5倍时间时,还可以满足一般性的粘接要求。

2.2 稀释剂

2.2.1 稀释剂的种类

常用于橡胶胶粘剂的稀释剂,大体可分为酮类、醇类、酯类、苯类等。下面简单介绍几种常用的稀释剂(表1)。

表1 胶粘剂常用稀释剂

(表未完)

(续表)

稀释剂一般都是危化品,应严格参照危化品的贮存规范贮存。

2.2.2 胶粘剂稀释剂的选择原则

(1)能够与胶粘剂形成乳浊液或者悬浊液,或者可以相溶;

(2)在挥发性、可加工性上,符合后期涂布胶粘剂的工艺要求;

(3)相对较低的生产成本;

(4)尽量避免使用有毒溶剂作为稀释剂,如苯、二甲苯;

(5)尽量选择与胶粘剂有相近表面能的物质。

2.3 橡胶胶粘剂选择

2.3.1 种类

常用的胶粘剂有环氧树脂类、改性酚醛类和硅烷类。

(1)环氧树脂类:环氧胶粘剂是由环氧树脂、固化剂、促进剂、改性剂、稀释剂、填料等组成的液态或固态胶粘剂。环氧胶粘剂的粘接过程是一个复杂的物理和化学过程,包括浸润、粘附、固化等步骤,最后生成三维交联结构的固化物,把被粘物结合成一个整体。其粘接性能(强度、耐热性、耐腐蚀性、抗渗性等)不仅取决于胶粘剂的结构和性能,以及被粘物表面的结构和粘接特性,而且和接头设计、胶粘剂的制备工艺、贮存方式,以及粘接工艺等都密切相关,同时还受周围环境(应力、温度、湿度、介质等)的制约。因此环氧胶粘剂的应用是一个系统工程,其性能必须与上述影响粘接性能的诸因素相适应,才能获得最佳效果。用相同配方的环氧胶粘剂粘接不同性质的物体,或采用不同的粘接条件、用在不同的使用环境中,其性能会有极大的差别。环氧胶粘剂与其他类型胶粘剂相比,具有以下优点:

① 环氧树脂含有多种极性基团和活性很大的环氧基,因而与金属、玻璃、水泥、木材、塑料等多种极性材料,尤其是表面活性高的材料具有很强的粘接力,同时环氧固化物的内聚强度也很大,所以其胶接强度很高。

② 环氧树脂固化时基本上无低分子挥发物产生。胶层的体积收缩率小(约1%～2%),是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一。加入填料后可降到0.2%以下。环氧固化物的线胀系数也很小。因此内应力小,对粘接强度影响小。再加上环氧固化物的蠕变小,所以粘接层的尺寸稳定性好。

③ 环氧树脂、固化剂及改性剂的品种很多,可通过合理而巧妙的配方设计,使胶粘剂具有所需要的工艺性能(如快速固化、室温固化、低温固化、水中固化、低黏度、高黏度等),并具有所要求的使用性能(如耐高温、耐低温、高强度、高柔性、耐老化、导电、导磁、导热等)。

④ 与多种有机物(单体、树脂、橡胶)和无机物(填料等)具有很好的相容性和反应性,易于进行共聚、交联、共混、填充等改性,以提高粘接层的性能。

⑤ 耐腐蚀性及介电性能好,能耐酸、碱、盐、溶剂等多种介质的腐蚀。体积电阻率1013～1016Ω·сm,介电强度16～35 kV/mm。

⑥ 通用型环氧树脂、固化剂及添加剂的产地多、产量大,配制简易,可接触压成型 ,能大规模应用。

⑦ 比其他种类胶粘剂具有更好的防锈、耐腐蚀性能。

环氧胶粘剂的主要缺点:

① 不增韧时,固化物一般偏脆,抗剥离、抗开裂、抗冲击性能差。

② 对极性小的材料(如聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘接力小,必须先进行表面活化处理。

③ 有些原材料如活性稀释剂、固化剂等有不同程度的毒性和刺激性,设计配方时应尽量避免选用,施工操作时则应加强通风和防护。

在使用中,由于环氧树脂胶粘剂在高温的作用下容易发生颜色变化,需要对生产过程加以特别控制。主要的控制方法为:胶粘剂配制时,搅拌时间延长,使其溶解更均匀;在涂布到外漏基材的工件上时,尽量使用新配制的胶粘剂,或者使用配制日期较近的;涂布工艺应选用喷涂、浸涂工艺;精确控制橡胶硫化的温度,包括后硫化温度;需要使用无污染的后硫化烘箱。

(2)改性酚醛类:改性酚醛分为丁腈-酚醛和环氧-酚醛。在一般的改性酚醛胶粘剂中,丁腈-酚醛具有较高的耐高温性能,在121～177 ℃时具有较好的剪切强度,高温老化时的强度保留率很高。丁腈-酚醛胶粘剂的韧性很好,剥离强度很高,这种胶粘剂可以支撑胶液和有载体的胶膜使用。环氧-酚醛胶粘剂大部分用于军事上,设计使用温度为149～260 ℃。

(3)硅烷类:硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物,其经典产物可用通式YSiХ3表示。式中,Y为非水解基团,包括链烯基(主要为乙烯基),以及末端带有Сl、NН2、SН、环氧、N3、(甲基)丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基,即碳官能基;Х为可水解基团,包括Сl、OМе、OЕt、OС2Н4OСН3、OSiМе3,及OАс等。由于这一特殊结构,在其分子中同时具有能和无机质材料(如玻璃、硅砂、金属等)化学结合的反应基团及与有机质材料(合成树脂等)化学结合的反应基团,可以用于表面处理。在橡胶与其他材料的胶接方面,硅烷作为增粘剂具有特殊的功用。它能明显地提高各种橡胶与其他材料的胶接强度。硅烷类胶粘剂由于带有可水解基团,所以在贮存时必须密封保存;配制的胶粘剂应该放置在干燥环境中,以避免发生水解而失效。在沿海城市或者空气湿度相对较大的夏季,使用硅烷类胶粘剂应尤其严格地控制工艺过程。

2.3.2 选择依据

(1)需要粘接的基材和胶种。

(2)产品的技术要求,如产品对防锈性能的要求高,建议选用树脂类胶粘剂;产品要求外观颜色,则应尽量选用硅烷类胶粘剂。

(3)产品加工工艺。如注射工艺和转注工艺应选择抗冲刷能力更好一些的胶粘剂。

2.4 稀释工艺

2.4.1 稀释工艺的选择

根据胶粘剂涂布处理的工艺,选择合适的稀释比例。稀释的比例一般为:浸涂 >喷涂 >刷涂。平板面积较大的基材,建议优先选择喷涂工艺,可以使用刷涂工艺和浸涂工艺;异形骨架优先选择浸涂工艺,也可以选择喷涂工艺;对粘接要求比较苛刻的或者粘接分界线在平面或者棱角处的,建议优先选用喷涂工艺。

2.4.2 胶粘剂开桶前的准备

在整桶胶粘剂开桶前,需要确认以下材料是否准备齐全:开桶工具(壁纸刀、螺丝刀,或者专用工具),防爆式气动马达搅拌桶,量具(用于配制时称量质量或者计量体积),合适的稀释剂等。

在开桶前有一个十分重要却往往被忽略的环节:预搅拌。预搅拌在胶粘剂的使用过程中起到很大的作用:胶粘剂原液内其实已经含有一定比例的稀释剂,这部分稀释剂以酮类、苯类居多,它们的密度小于胶粘剂的有效物质,经长时间静置后会出现分层现象,其结果是有效物质下沉到桶底,而原液中的稀释剂会浮在上部。如果在开桶前不进行预搅拌,其结果往往是整桶的胶粘剂开始使用时整体粘接效果差或者直接出现粘接失效,而继续使用则出现以同样比例配制后黏稠度大、固含量大、粘接能力得到改善或者出现胶粘剂内聚破坏等现象。

预搅拌的方式有很多种,最简单的一种就是先将整个胶粘剂的包装桶(圆形)倒置,放置1～2 h,然后平躺着放到地上,进行来回滚动。但是这种搅拌的效果较差。建议使用整体360°旋转的摇摆式预搅拌机进行搅拌。

摇摆式预搅拌机(如图1)的作用原理及构造:通过360°旋转将里面的液体进行旋转混合,以达到两种液体(或者固体和液体)充分混合在一起的目的。摇摆式预搅拌机以气动马达为动力,100%防爆,相对于以电动马达驱动的驱动方式更加安全可靠。摇摆式预搅拌机可以对不同形状(圆筒形、方形、锥形)包装桶的胶粘剂进行预搅拌。机架一般采用碳钢材质或者不锈钢材质。其动力装置为气动,采用防爆动力马达;动力源为压缩空气;转速为20～100 r/min;运动方式为可调正/反方向。

图1 摇摆式预搅拌机

2.4.3 开桶后搅拌

开桶后搅拌的作用与开桶前的预搅拌不同,也不能被开桶前的预搅拌所替代。开桶后的搅拌一般使用带有可旋转搅拌桨的工具,直接对已经预搅拌的胶粘剂原液进行搅拌。搅拌桨直接接触液体,搅拌作用更加直接,剪切力更大,搅拌得更加均匀。

一般使用的搅拌工具为气动搅拌设备,常见的有图2、图3所示的两种形式。

图2所示的气动马达搅拌器,一般用在容量比较大(一般大于100 L)的包装桶上。在使用时借助固定夹口,将气动马达固定在容器壁上,有一定的倾斜角;气动马达带动焊接有两层三叶搅拌桨的转动轴,在胶粘剂内部进行旋转;在旋转的作用下,靠近旋转轴的液体在有向下倾角的搅拌桨的作用下,向下运动;靠近包装桶内壁的胶粘剂在中心部位胶粘剂向下的作用下,会沿着桶壁向上移动,形成一个纵向循环;加上搅拌桨对胶粘剂的横向作用,就在包装桶内形成一个纵向、横向的交叉循环,以达到搅拌均匀的目的。

图2 气动马达搅拌器(夹口固定)

图3所示的气动马达搅拌器则是自身装有固定装置,并且只有一个三叶搅拌桨或者圆形搅拌桨,在底座上有两个用于固定包装桶的夹持工装,这种工装一般用于圆形包装桶,最佳的容量为8～50 L。使用时先用提升气缸将搅拌桨提升至高位,然后将包装桶开盖后,用搅拌器底座上的两个夹持工装将包装桶固定,放下搅拌桨至最低位,然后打开气动阀,调节气动马达转速,就可以对胶粘剂进行搅拌作业。

图3 气动马达搅拌器(自身固定)

2.4.4 配制操作

胶粘剂的配制并不是将胶粘剂与稀释剂简单混合的操作,它是一个十分复杂而又重要的过程。在这个过程中,我们先要确定配制容器的容量合适、容器的材质合适,并且容易取用,容器内洁净无污染,容器有搅拌装置并可以进行安全搅拌。配制过程中还要注意胶粘剂与稀释剂加入的顺序、方法等等。

在胶粘剂与稀释剂的添加顺序方面,可以参考以下方式:在固体胶粘剂与液体稀释剂稀释时,先将称量好的液体稀释剂约2/3加入到配制容器中,打开搅拌功能,在搅拌过程中分阶段加入适量的固体胶粘剂;加入完成后再搅拌约2～3 min,使固体完全浸润至液体稀释剂内,然后再将剩余的1/3稀释剂加入配制容器,加盖防护盖,将气动搅拌桨调节至合适转速,再进行搅拌,直至达到工艺要求时间。

在配制容器方面,介绍一种防爆式气动搅拌桶(图4)。

图4 防爆式气动搅拌桶

图4所示防爆式气动搅拌桶由以下零部件组成:

(1)气动马达:将气源转化为动力,为搅拌提供动力保障;同时也避免由于稀释剂的挥发造成的爆炸危险。气动马达转速可以通过进气量进行调节,以保证过程工艺的可行性。

(2)搅拌桨连杆:为气动马达和搅拌桨提供动力传动,使搅拌桨与气动马达同步动作,同时将搅拌桨放置在距离搅拌桶桶底合适的高度,保证整桶液体都能够搅拌均匀,排除死角。材质上应选用不锈钢。

(3)搅拌桨:为一端大圆弧、一端小圆弧、在水平面上形成一定倾斜夹角的装置,直接焊接在搅拌桨连杆上。在旋转时直接接触胶粘剂,并对其作用,在桶内形成交叉循环。材质为不锈钢。

(4)圆形桶:是配制时胶粘剂和稀释剂的存放空间,可以根据每次配制量的不同,调整容积的大小。为了方便从桶内进行取料,也可以在离桶底约10 mm左右的位置,加装一个球型放料阀。材质为不锈钢。

(5)不锈钢桶盖:为气动马达提供一个支撑平台,将气动马达固定在这个平台上,提供动力;可以将圆形桶的上端封盖,防止稀释剂的挥发,保证胶粘剂配制后的准确性;它与圆形桶之间,通过平面圆周4等分的搭扣链接。桶盖上有直径2 mm排气孔一个,并且一个搭扣处可以折叠。折叠的另一侧有一个吸料口快接插头(公),方便喷涂时接驳喷枪。材质为不锈钢。

在使用时,先确认桶内洁净,接入压缩空气,试验气动马达是否可以正常使用。然后打开可以折叠的桶盖,加入适量稀释剂,打开气动马达,调整至合适的转速,加入适量的胶粘剂,盖上折叠桶盖即可。在使用时要特别注意的是应确认压缩空气内没有水珠或者其他液体,以避免造成胶粘剂污染。在气动马达前的进气管上,可加装一个油水分离器,定期对油水分离器放水。

2.4.5 配制后的注意事项

为使胶粘剂配制后更有效地稀释和溶合,需要在完成混合后的持续一段时间内进行搅拌。对于固体或者粉末状态的胶粘剂,建议搅拌时间不低于4 h;液态胶粘剂,建议搅拌时间不低于2 h。

配制后需要将配制信息填入标示卡,标示于该配制容器上,以便区分有效期、胶粘剂状态。标示卡的信息应至少具备以下内容:胶粘剂名称,配制比例,配制日期,有效期,配制人。

存放时尽量使其处于搅拌状态,密封保存。如果不能在搅拌状态下存放,需要放置在完全密封的容器内,使用前重新全部搅拌至少1 h以上,方能使用。

配制后的胶粘剂,由于加入了稀释剂,其有效期会相应缩短。

表2列出常用的一些胶粘剂配制后的建议有效期,可以根据实际情况进行调整。

表2 常用胶粘剂配制后的有效期

2.5 配制后胶粘剂的检测

胶粘剂配制以后,为了验证配制的正确性,以及在使用过程中由于稀释剂的挥发造成的变化,有必要对胶粘剂进行检测。检测项目有密度检测、固含量检测(也称为“浓度检测")、黏度检测等。

2.5.1 固含量检测

取一定量的均匀溶液,放置在加热器皿上进行溶剂蒸发,确定蒸发完后的固体的质量。这个质量与均匀溶液质量的比值即为浓度,再换算成每100 g溶液的固体含量值。

固含量检测用到的仪器介绍如下。

(1)加热平台(图5):可以提供稳定的热源,用于蒸发稀释剂;一般要求的可加热范围为0～250 ℃可调,精度为0.1 ℃;加热板的面积以不小于15 сm×15 сm为宜,以便能够放置4个或4个以上的蒸发皿(坩埚或者铝杯);加热板的温度要比较均匀,最大温差不应超过3 ℃。

(2)蒸发皿(坩埚或者铝杯)(图6):将溶液放置在蒸发皿(坩埚或者铝杯)中进行加热,蒸发;一定要是敞口容器。

图6 蒸发皿

(3)电子秤:建议的量程为500 g,精度为0.01 g。

固含量检测过程和操作方法:

(1)样本制作。将待测胶粘剂溶液搅拌均匀,使用烧杯量取20 ml溶液做样本。注意烧杯要保持干净,不能有异物(包括水、溶剂等)。

(2)称量溶液的质量。先称量铝杯(或者坩埚)的质量,并记录为А g;从样本中取大约15 ml溶液,倒入烧杯中,在5s内读完数据,并记录为В g;溶液的质量可以通过计算得出:溶液质量Сg=Вg-Аg。

(3)烘干溶液。将盛有溶液的铝杯放在加热平台上,将加热平台的温度调整到90 ℃左右。烘干大约30 min,直至溶剂完全挥发。注意操作过程中不能使液体溅出杯外。

(4)称量烘干后铝杯的质量。把已经烘干的铝杯放在电子秤上,称量质量,并记录为Dg。烘干后固体质量通过计算可得出:固体质量Еg=Dg-Аg。

(5)计算固含量。

固含量(g)=Е/С×100 =

[(D-А)/(В-А)]×100

(6)换算溶液的浓度。

浓度(%)=Е/С×100%=

[(D-А)/(В-А)]×100%

(7)检测频率。一般为了验证配制的准确性,在配制完成后即须进行一次检测;在使用过程中,对于动态使用的胶粘剂溶液,建议每隔2 h检测一次,以便及时调整溶液状态;对于放置时间较久(如间隔24 h以上没有使用)的溶液,在使用前为了确保放置期间稀释剂的挥发不致影响胶粘剂的质量,建议再进行一次测量。

(8)常见的几种胶粘剂的固含量和浓度建议控制范围详见表3。

表3 几种常见胶粘剂的固含量及浓度控制建议范围

(9)固含量的调整。

在使用过程中,或者在静置过程中,由于稀释剂的挥发和胶粘剂本身的水解或者其他因素的共同作用,固含量会发生变化。这种变化的趋势一般是浓度增高或者固含量增高。为了产品质量的稳定,需要添加适量的稀释剂以便对已经发生固含量或者浓度变化的胶粘剂进行调整。至于添加多少稀释剂,需要通过计算进行确定。计算方法如下:

假设标准的固含量为А g,实际测得的固含量为В g,需要调整的胶粘剂的质量为С g,则需要加入的稀释剂的质量D= [(В-А)×С]/А,单位:g。

2.5.2 密度检测

常用的液体密度计有浮子式和静压式两种。

浮子式密度计(图7)工作原理是:物体在流体内受到的浮力与流体密度有关,流体密度越大,浮力也越大。如果规定了被测样品的温度(例如规定为25 ℃),则仪器也可以用相对密度数值作为刻度值。这类仪器中最简单的是目测浮子式玻璃相对密度计,简称玻璃相对密度计。

图7 浮子式密度计

静压式密度计(图8)的工作原理是,达到一定高度的液柱的静压力与该液体的密度成正比,因此可根据用压力测量仪表测出的静压数值来表征液体的密度。膜盒是一种常用的压力测量元件,用它直接测量样品液柱静压的密度计,称为膜盒静压式密度计。另一种常用的密度计是单管吹气式密度计。它以测量气压代替直接测量液柱压力。将吹气管插入被测液体液面以下一定深度,压缩空气通过吹气管不断地从管底逸出。此时,管内空气的压力便等于那段高度的样品液柱的压力,压力值可换算成密度。

图8 静压式密度计

2.5.3 黏度检测

液体在流动时,其分子间产生内摩擦的性质被称为液体的黏性。黏性的大小用黏度表示,它是用来表征与液体性质相关的阻力因子。黏度又分为动力黏度、运动黏度和条件黏度。黏度的大小取决于液体的性质与温度,温度升高,黏度迅速减小。因此,要测定黏度,必须准确地控制温度的变化才有意义。在实际生产中,即使严格控制了温度,由于测量设备、测量方法等因素的影响,其数据一般也不太准确。

2.6 胶粘剂涂布

将胶粘剂均匀地涂敷于需要粘接基材的表面,并加以烘干(或者预固化),让胶粘剂在基材表面具有比较强的附着力。胶粘剂的涂布方法主要有浸涂、喷涂、刷涂这三种方式。根据作业方式的不同,浸涂和喷涂又可分为手工和自动两种作业模式。

2.6.1 手工浸涂

手工浸涂指使用手工作业方式,将需要浸涂处理的基材,放入可以晃动的容器内。然后将容器放入盛有胶粘剂的器皿内,使基材全部被浸没,并不断晃动,使基材表面全部浸润胶粘剂。浸润后,再从器皿内取出,同时仍然加以晃动,直到基材表面上胶粘剂中的稀释剂挥发掉,胶粘剂在基材表面上不再流动为止。

手工浸涂时,一般使用敞口容器盛放胶粘剂(例如塑料盆、周转箱等)。盛放基材的容器有两种:一种是纱网,另一种是塑料筐。采用纱网为集采盛放容器时,可以将纱网裁剪成500 mm×1000 mm的尺寸,将需要粘接的基材放置在纱网的中央部位。分别用手抓住两个相距500 mm的邻角,这样就可以提起基材。再将基材放入盛有胶粘剂的周转箱中,左右手交替上升或下降(整个过程不能使基材露出液面,始终保持在胶粘剂的液面以下)。大约经过30 s,上下提升约15次即完成浸润过程。再将基材提升到液面的正上方,距离液面20 сm以上,然后再进行左右手交替上升或下降,作业大约2 min,直到基材表面上粘住的胶粘剂中的稀释剂完全挥发掉。当整体不再流动的时候,即可停止,将其倒入干净的容器内加以保存。采用塑料筐作为基材盛放容器时,其操作手法与纱网的操作流程相似,区别在于塑料筐不能进行左右手交替上升或下降,只能用双手或者使用吊具将塑料筐快速向上提升,然后停止,让塑料筐内的基材能够脱离筐底。在下落至筐底时再与胶粘剂进行一次相对的运动,以达到基材表面完全被浸润的目的。

2.6.2 自动浸涂

随着现代社会对产品质量要求的不断提高,加之生产效率提高,大部分生产企业选择自动浸涂设备,以完成浸涂的全过程。

根据生产工艺的不同,浸涂设备的功能也各异。自动浸胶机由机身、装料滚筒、滚筒旋转驱动机构、可升降胶粘剂液箱、胶粘剂液及溶剂贮存箱、胶粘剂及溶剂输送系统、电控系统等组成,机身框架由不锈钢型材拼接而成,封板由不锈钢板折边而成。装料滚筒采用不锈钢材料制作加工。筒身为六角形,并且周壁冲孔。滚筒旋转驱动机构由电机、蜗轮减速机、传动齿轮及支架等组成。可升降胶粘剂液箱由可移动箱体、滑道、升降气缸、盖子等组成。在胶粘剂液箱上设置溢流口,当补充胶粘剂液超过设定液面时,胶液会自动回流到胶粘剂液储存箱内。升降气缸设置在胶粘剂液箱底部。溶剂、胶粘剂原液贮存箱由箱体、供液泵等组成。箱体材料由不锈钢板制作。采用触控式操作面板可以设定相关的工艺参数。工作时,把基材装进六角形滚筒,关上门,按下自动按钮,滚筒开始转动,可升降液箱被升降气缸抬起,基材在液箱中滚动到设定时间后,升降液箱开始下降,气缸带动盖子把胶液箱盖住 ,滚筒暂停转动一定时间后滚筒再次转动,热风机开始吹风。工作到设定时间后,吹风停止,滚筒停转,三色灯亮起。开门时排风风机开始工作,打开六角形滚筒门下料。

自动浸涂设备由РLС控制工艺参数,与手工浸涂相比,前者具有以下优点:

(1)生产过程被控制严格,产品一致性比较好。在浸涂有色胶粘剂时,这种差异更加明显。

(2)生产效率高。可以根据生产需要,调节六角形滚筒的容量。一个操作人员可以同时操作2～3台设备,效率为人工浸涂的6倍以上。

(3)劳动强度低。作业人员只需要进料与卸料即可,没有其他繁琐的动作。

(4)胶粘剂利用率高。在不涂布时,胶粘剂液箱口是封闭的,稀释剂不会挥发。

2.6.3 手工喷涂

手工喷涂指手持喷枪,将需要粘接的基材的表面喷涂上胶粘剂的过程。手工喷涂需要的工具为防爆式气动搅拌桶,输液管,气液通用喷枪,喷涂工装。手动喷涂操作过程为,将需要粘接的基材放在合适的工装上,手持喷枪,调整好合适的气液比例和雾化状态,使枪口与基材保持15～20 сm的距离,均匀地喷涂一层胶粘剂。

2.6.4 自动喷涂

自动喷涂指使用自动化设备,自动完成进料,旋转,喷涂,烘干等工序。自动喷涂相对于手工喷涂具有以下优点:(1) 生产效率高。根据喷涂零件的不同,生产效率一般可提高200%以上。

(2) 产品一致性好,基材表面胶粘剂涂层厚度均匀。

(3) 可有效地控制喷涂死角或者拐角部位。

如图9所示,自动喷涂机由供料搅拌桶,喷枪控制系统,工位控制系统,电气控制系统,烘干系统构成。供料搅拌桶的功能是为喷枪持续提供胶粘剂;喷枪控制系统主要是控制喷枪的位置移动及喷涂量;工位控制系统顾名思义,系控制工位的移动、转动;电气控制系统主要功能是协调控制工位,喷枪,烘干系统的动作;烘干系统用于喷涂后工件快速烘干。

图9 自动喷涂机

2.6.5 刷涂

刷涂系指人工以刷子涂覆胶粘剂,是目前普遍采用的一种施工方法。刷涂的优点是节省胶粘剂,工具简单,施工方便,易于掌握,灵活性强且对各种胶粘剂的适应性也强。不过,刷涂的缺点是手工操作,劳动强度大,生产效率低,若操作不熟练,动作不敏捷,涂膜会产生刷痕、流挂、涂刷不均等缺陷。

刷涂时要注意的是,所使用的刷涂工具(毛刷)要选择柔软的,避免在刷涂时涂件表面产生比较深的刷痕。

2.6.6 各种工艺之对比

浸涂、喷涂、刷涂各有千秋。在确定采用何种工艺时,需要根据实际生产的需要,综合考虑各种工艺的优点,进行选择。这三种工艺在材料利用率,生产效率,对粘接的影响三个方面都不同,如表4所示。

表4 浸涂、喷涂、刷涂工艺之对比

2.6.7 涂覆后胶粘剂成膜厚度的检测

涂覆在基材表面上的胶粘剂膜的厚度,对粘合性能会有所影响。建议对胶粘剂膜的厚度进行严密监控,并将其控制在规定的参数范围内。干膜厚度可以采用与油漆行业相仿的方法(非破坏性方法)进行测量;可按需要采用适合于铁或非铁类金属基材的测量设备。例如,膜的厚度可以通过激光热容测定法进行测量,或采用Х射线测量法,同时对底涂和面涂的膜的厚度进行测量。是否适用于与待测样品表面特性相仿的部件,对测量设备进行适当的校准,对确保膜的厚度测量结果的稳定性而言,至关重要。膜平均厚度至少要采用5组不同的测量结果来进行计算。测量膜的厚度的另一种方法为:在涂覆前后准确称量待测部件的质量,通过涂覆区域的表面积和胶粘剂产品的干膜厚度,来计算涂覆区域的干膜厚度。

主要检测仪器为膜厚仪。膜厚仪分为两种,一种可以测量金属表面的膜的厚度,但是不能检测塑料或者其他基材表面的膜厚;另一种可以检测塑料或者其他基材表面的膜厚。测量金属表面膜厚的膜厚仪(图10)其原理为,采用电磁感应法测量涂层的厚度。位于部件表面的探头产生一个闭合的磁回路,随着探头与铁磁性材料间距离的改变,该磁回路将不同程度地发生变化,引起磁阻及探头线圈电感应的变化。利用这一原理可以精确地测量探头与铁磁性材料间的距离。

图10 膜厚仪

2.7 粘接基材处理

2.7.1 必要性

在使用胶粘剂前,对基材表面进行清理和预处理是整个粘合加工过程中不可或缺的关键步骤。只有在确保基材表面具有足够的物理和化学清洁度的前提下,才能实现基材、胶粘剂与橡胶之间紧密结合,达到粘接的目的,保证产品的质量和使用寿命。

2.7.2 喷砂处理

喷砂处理是最彻底、最通用、最迅速、效率最高的清理方法。

喷砂处理可以在不同粗糙度的表面上任意进行,而这一优点是其它工艺无法做到的。手工打磨虽可以磨出毛面,但速度太慢;如用化学溶剂清洗,则清洗后表面过于光滑,反而不利于涂层粘接。

喷砂和喷丸统称为喷砂处理。按照喷砂方式的不同,可以细分成以下四类:

(1)压入式喷砂和吸入式喷砂;(2)干式喷砂和湿法喷砂;

(3)开放式喷砂和封闭式喷砂;

(4)手动喷砂和自动喷砂。

橡胶粘接常采用手动喷砂和自动喷砂两种方法。喷砂所用的设备为喷砂机。目前广泛使用的设备为立式弹丸喷射式喷砂机。

喷砂机系采用压缩空气为动力,形成高速喷射束,将喷料(喷丸玻璃珠、钢丸、钢砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到需处理的工件表面上,使工件外表面的机械性能发生变化。由于喷料对工件表面的冲击和切削作用,使工件的表面获得了一定的清洁度和不同的粗糙度,提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性。这样处理还有利于涂料的流平和装饰,同时还可以把工件表面的杂质及氧化层清除掉,使介质表面粗糙化。

图11所示为立式弹丸喷射式喷砂机。在操作时先安装外接气源,气源压力必须达到5 kg以上,同时还要保证一定的供气量。设备正常工作压力为0.5～0.6 МРа。开启电源开关,连接脚控阀,左手手持需要喷砂处理的工件,右手手持喷枪,对准需要喷砂的部位。轻踩脚踏开关,电磁阀联动,砂粒即可喷出。不断移动需要喷砂的部位,注意脚踏阀不可过分用力踩踏。喷砂机使用的砂子最好选用优质的金钢砂(30#、46#、60#、80#)。使用时将砂子倒入砂池内,使砂子略超过滤网,砂流可循环使用。喷砂完毕,切断电源开关,清理周围的环境。操作过程中需要注意的几点:(а)应当定期清除机后滤尘袋里的废砂尘。(b)喷砂嘴经长期使用,喷口会扩大,影响正常使用,应及时更换之。喷砂嘴与喷蕊尖部要保持适当的距离,以提高喷砂效果;(с)设备在搬运过程中,应注意防震,勿倒置,保持干燥,应在良好的通风环境中使用。(d)每周检查一次电气线路,确认是否存在漏电等现象。(е)喷砂机内部各部位每半年加注一次锂脂润滑油,检查轴承的磨损程度,若超过磨损极限,必须更换新轴承。

图11 喷砂机

2.7.3 抛丸处理

抛丸也是一种表面处理工艺的名称,类似于喷砂。抛丸是一个冷处理过程,分为抛丸清理和抛丸强化。抛丸清理,顾名思义是为了去除表面氧化皮层等杂质,提高外观质量;抛丸强化则是利用高速运动的弹丸流(60～110 m/s)连续冲击需强化处理的工件表面,迫使该工件表面和表层(0.10～0.85 mm)在循环变形过程中发生以下变化:а.显微组织结构发生改性;b.向非均匀的塑变外表层引入残余压应力,内表层生成残余拉应力;с.外表面粗糙度发生变化(Rа Rz)。

抛丸机工作时,由电动机带动叶轮体旋转(直接带动或用V型皮带传动)。靠离心力的作用,将直径为0.2～3.0 mm的弹丸(有铸钢丸、钢丝切丸、不锈钢丸等不同类型)抛向工件表面,使工件的表面获得一定的粗糙度,提高胶粘剂薄膜的附着力。

抛丸器(图12)是抛丸机的核心部件。抛丸器中的双圆盘被铆接成一体,构成叶轮体。叶轮体上装有八个叶片,叶轮体与位于抛丸轮中心的分丸轮一起,安装在由电动机驱动的主轴上。罩内衬有护板,罩壳上装有定向套及进丸管。工作时,弹丸由进丸管流入抛丸器。跟叶片同步旋转的分丸轮使弹丸得到初速度。

弹丸经定向套的窗口飞出,抛到定向套外面的高速旋转的叶片上,被叶片进一步加速后,再抛射到需清理的工件表面上。

图12 抛丸器

常见的抛丸材料有钢丸、铝丸、陶瓷微粉、钢砂、核桃砂、玉米芯、玻璃珠、树脂砂、塑胶砂等。

立式抛丸机(图13)系垂直工作的抛丸机械,主要用于金属表面除锈及氧化层处理。立式抛丸机采用高速涡轮将载体(钢丸)在瞬间抛出,击打到物体表面再反弹到料箱内。该设备需要在机体上方悬挂一根钢丝绳,供其工作时需要。机械本身还配备了四块强力磁铁,使其吸附在钢结构物体表面,保证其工作时密封之用。四个磁铁支撑点下符裹着四个万向滚珠,供机械上下左右运动自如。

图13 立式抛丸机

立式抛丸机工作效率高,可以对质量较大的单个工件进行抛丸处理。

履带抛丸机(图14)又称履带式抛丸清理机,通过单圆盘抛丸器、橡胶带围成的假设性滚筒,使被清理的工件在均匀翻滚的过程中,进行表面清理。作业完毕后可自动卸料,广泛用于中小型铸件、锻件、冲压件、有色金属铸件、齿轮及弹簧的积砂除锈,去氧化皮层和表面强化。整机一般配有除尘器。履带抛丸机的工作过程是,在清理仓内加入规定数量的工件后,关闭仓门,机器启动,工件被滚筒带动开始翻转。抛丸器高速抛出的弹丸形成扇形束,均匀地打击在工件表面上,从而达到清理的目的。抛出的弹丸及砂粒从履带上的小孔,流入底部的螺旋输送器上,再经螺旋输送器被送入提升机内,由提升机提到分离器中进行分离。含尘气体由风机吹送到除尘器中过滤后,变为洁净空气,排入大气中。灰尘由空气反吹,落入除尘器底部的集尘箱中,需定期清除。废砂由废料管流出,可回收再利用。丸砂混合物由回收管回收进入室体内,待分离器分离后再回收利用。

图14 履带抛丸机

履带抛丸机的四大特点:

(а)履带抛丸机采用悬臂离心式抛丸器,抛射角度大、效率高、工件上无死角,具有使用寿命长和结构简单等优点。

(b)履带式抛丸机采用ВЕ型分离器,具有良好的分离效果和较高的生产率,对提高叶片工作效率有积极的作用。

(с)履带抛丸机采用DМС型脉冲反吹袋式除尘器,粉尘排放浓度低于国家规定的标准,大大改善了操作者的工作环境。

(d)履带式抛丸清理机采用耐磨橡胶履带,减轻了对工件的碰撞及损伤,降低了机器的噪声。2.7.4 车削处理

车削处理是一种在车床上面完成作业的加工方法,处理时工件高速旋转,然后用车刀接近工件,划去表面需要去除的部分。为了更有利于粘接,在处理工件表面时,在不影响性能的前提下,于工件表面上车削出一道道的车削痕迹,这样加工的优点是:(а)增加粘接表面积,在同样的粘接面条件下,粘接面积增大,粘接强度更高;(b)去除工件表面的锈渍、油污后,裸露出新鲜的金属表面,更有利于粘接。

2.7.5 表面打磨

表面打磨,是指使用砂纸,砂轮或者其他表面粗糙的物体,与工件上需要粘接的部位相互摩擦,去除工件表面的油污,杂质,使工件的表面粗糙度增大。

2.7.6 磷化处理

(1)磷化处理技术

将工件(钢铁或铝、锌件)浸入磷化液(以某些酸式磷酸盐为主的溶液),在其表面沉积并形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程,称之为磷化。形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化是常用的前处理技术,从原理上讲应属于化学转换膜处理,主要应用于钢铁表面磷化,此外,有色金属(如铝、锌)件也可应用磷化技术。磷化的目的主要是给基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀。

(2)磷化处理原理

将钢(铁)件浸入磷化液[由Fе(Н2РO4)2、Мn(Н2РO4)2、 Zn(Н2РO4)2组成的酸性稀溶液,рН为1～3,溶液相对密度为1.05～1.10]中,磷化膜的生成反应如下:

3Zn(Н2РO4)2=Zn3(РO4)2￬+4Н3РO4或

3Мn(Н2РO4)2= Мn3(РO4)2￬+4Н3РO4

钢(铁)工件是钢铁合金,在磷酸作用下形成无数原电池,在阳极区,铁开始熔解为Fе2+,同时放出电子。

Fе+2Н3РO4=Fе(Н2РO4)2+Н2￪

Fе =Fе2++2е-

钢(铁)工件表面附近的溶液中,Fе2+不断增加,当Fе2+与НРO42-,РO43-的浓度大于磷酸盐的溶度积时,产生沉淀,在工件表面形成磷化膜:

Fе(Н2РO4)2= FеНРO4￬+ Н3РO4

Fе+ Fе(Н2РO4)2= 2FеНРO4￬+ Н2￪

3FеНРO4= Fе3(РO4)2￬+ Н3РO4

Fе+2FеНРO4=Fе3(РO4)2￬+Н2￪

阴极区放出大量的氢:

2Н++2е-=Н2￪

O2+ 2Н2O + 4е-=4OН-

总反应式:

3Zn(Н2РO4)2= Zn3(РO4)2￬+4Н3РO4

Fе+3Zn(Н2РO4)2= Zn3(РO4)2￬+FеНРO4￬+3Н3РO4+ Н2￪

(3)磷化的分类

(i)按磷化处理温度分类

(a)高温型

80～90 ℃处理时间为10～20 min,形成磷化膜厚可达10.0～30.0 g/m2,溶液游离酸度与总酸度的比值为1:(7～8)

优点:膜抗腐蚀力强,结合力高。

缺点:加温时间长,溶液挥发量大,能耗大,磷化沉积多,游离酸度不稳定,结晶粒子粗细不均匀,已较少应用。

(b)中温型

50～75 ℃,处理时间5～15 min,磷化膜厚度为1.0～7.0 g/m2,溶液游离酸度与总酸度的比值为1:(10～15)

优点:游离酸度稳定,易掌握,磷化时间短,生产效率高,耐腐蚀性与高温磷化膜基本相同,目前应用较多。

(с)低温型

30～50 ℃,节省能源,使用方便。

(d)常温型

10～40 ℃ 常(低)温下磷化(除添加氧化剂外,还要加促进剂),时间10～40 min,溶液游离酸度与总酸度比值为1:(20～30),膜厚为0.2～7.0 g/m2。

优点:无需加热,药品消耗少,溶液稳定。

缺点:处理时间长,溶液配制繁琐。

(ii)按磷化液成分分类

(a)锌系磷化

(b)锌钙系磷化

(c)铁系磷化

(d)锰系磷化

(e)复合磷化,磷化液由锌、铁、钙、镍、锰等元素组成。

(iii)按磷化处理方法分类

(a)化学磷化

将工件浸入磷化液中,依靠化学反应来实现磷化,目前应用广泛。

(b)电化学磷化

在磷化液中工件连接正极,钢铁连接负极进行磷化。

(iv)按磷化膜质量分类

(a)重量级(厚膜磷化)膜重7.5 g/m2以上。

(b)次重量级(中膜磷化)膜重4.6～7.5 g/m2。

(c)轻量级(薄膜磷化)膜重1.1～4.5 g/m2。

(d)次轻量级(特薄膜磷化)膜重0.2～1.0 g/m2。

(v)按施工方法分类

(a)浸渍磷化

适用于高、中、低温磷化。其特点是设备简单,仅需加热槽和相应的加热设备,最好采用不锈钢或有橡胶衬里的磷化槽,不锈钢加热管道应设置在槽的两侧。

(b)喷淋磷化

适用于中、低温磷化工艺,可处理表面积大的工件,如汽车、冰箱、洗衣机壳体。特点:处理时间短,成膜速度快,生产效率高,用这种方法获得的磷化膜结晶致密、均匀,膜薄耐腐蚀性好。

(c)刷涂磷化

(a)和(b)两种方法无法实施时,可采用刷涂磷化法。在常温下操作,易涂刷,可去除锈蚀,磷化后工件自然干燥,防锈性能好,但磷化效果不如(a)和(b)。

磷化膜分类及组成见表5。

(4)磷化膜的性质

(a)耐腐蚀性

在大气、矿物油、植物油、苯、甲苯中磷化膜均有很好的耐腐蚀性,但在碱、酸、水蒸气中耐腐蚀性较差。在200～300 ℃时仍具有一定的耐腐蚀性,当温度达到450 ℃时,膜层的耐腐蚀性显著下降。

表5 磷化膜分类及组成

(b)特殊性质

可增加附着力,润滑性,具有减摩及耐磨作用。

(5) 磷化膜检测

(a)外观检验

肉眼观察磷化膜应是均匀、连续、致密的晶体结构。表面不应有未磷化的空白点或锈渍。由于前处理的方法及效果的不同,允许出现色泽不一的磷化膜,但不允许出现褐色。

(b)耐腐蚀性检验

① 浸入法

将磷化后的样品浸入3%的氯化钠溶液中,经2 h后取出,表面无锈渍为合格。出现锈渍的时间越晚,说明磷化膜的耐腐蚀性越好。

②点滴法

室温下,将蓝点试剂滴在磷化膜上,记录其变色时间。磷化膜厚度不同,变色时间亦不相同(厚膜>5 min,中等膜>2 min,薄膜>1 min)。

(6)磷化流程以及各工序的作用:预脱脂￫脱脂￫除锈￫水洗￫(表调)￫磷化￫水洗￫磷化后处理

预脱脂:对比较难处理的表面油污,使用脱脂剂进行软化处理,同时将表面附着的松软的一部分油污予以去除。根据不同油污,需要的脱脂剂也各异。在预脱脂槽里,一般会增加一个除油槽,将漂浮在预脱脂槽上部的油脂去除。简单的除油脂的装置如图15所示。预脱脂槽上方有个溢流口,油脂的密度小于水的密度,所以油脂漂浮在预脱脂槽的上方,配合槽体底部的液体回流和溢流口对面的压缩空气的吹拂作用,可以快速地从溢流口进入除油槽进水口,经过过滤网,油水混合物的水平流动速度变慢,同时油脂上浮。在经过一层隔离板后,油脂全部浮在上面,在进水口对面的槽体下方,设置了出水口,保证出水中没有油脂。然后经过压力泵,将出水送至预脱脂槽的底部,形成循环,定期处理漂浮在除油槽上方的油脂即可。

图15 去除油脂装置

脱脂:彻底去除基材表面上的油脂。

除锈:由于空气氧化的作用,钢(铁)基材表面容易产生锈渍,影响粘接的强度和寿命。一般可选择盐酸或者硫酸对其进行除锈。盐酸的除锈速度快,挥发也比较快,除锈时间短,成本相对较高。硫酸的除锈速度慢,但基本没有挥发,成本较低。

表调:在整个磷化过程中,让基材表面在接触磷化液前活性点慢慢释放。减慢晶核长大的速度,增多晶核形成的数目。也就是说,在磷化初期,有一种膜可覆盖被磷化表面上一部分活性点,减缓金属溶解速度,只使一部分活性点参与反应。经一段时间后,被覆盖的活性点韵膜逐渐脱附,参与反应再成膜,这样会使磷化结晶晶核增多,而晶核成长慢,可得到薄膜细晶的磷化层。

磷化:基本原理和作用已经在前面阐述过,其主要过程是形成致密的磷化膜。

磷化后处理:即钝化,指对磷化膜采用含铬的酸性水溶液补充处理。这样可以进一步提高磷化膜的耐腐蚀性。钝化作用包括以下两个方面:一,使磷化膜空隙中暴露的金属进一步氧化或生成铬化层,填补磷化膜孔隙,使其稳定于大气之中,以便提高磷化膜单层的防锈能力,也称为封闭处理。二,通过含铬的酸性处理液处理,去掉磷化膜表层的疏松结构及包含在其中的各种水溶性残留物,降低磷化膜在电泳时的溶解量,以提高基材的耐腐蚀性。

(7)磷化设备

(a)普通一字型全自动磷化线

普通的磷化线如图16所示,是将每一道工序的槽体在一条直线上一字排开,然后在行车轨道上,由龙门吊从上方将盛有处理基材的不锈钢笼体,依次从预脱脂开始,经过每一个槽体,最后形成表面覆有磷化膜的产品。这种磷化线由РLС控制,在控制面板即可设定设备运行参数和各槽体的生产工艺参数,同时在运行时也可以随时显示每个槽体的工艺参数,以便进行确认和调整。

图16 一字型磷化生产线

(b)新型U型磷化线

由于一字型磷化线整个线体较长,而行车的速度较快时,容易出现定位不准的问题,所以生产效率比较低。为了提高生产效率,现在常用的是U型磷化线(如图17所示)。这种磷化线是将一字排开的槽体,改成U型,在一端增加一个转换工位。这样,整个流程就可以由两台龙门吊车予以完成,大大提高了生产效率。

(8)磷化过程控制要点

(a)温度

温度愈高,磷化层愈厚,结晶体愈粗大。

温度愈低,磷化层愈薄,结晶体愈细小。

温度不宜过高,否则Fе2+易被氧化成Fе3+,增加沉淀物的量,溶液不稳定。

图17 U型磷化生产线

(b)游离酸度

游离酸度(FА)指游离的磷酸。其作用是促使铁溶解,已形成较多的晶核,使膜结晶致密。

游离酸度过高,与铁的作用加快,大量析出氢,使界面层磷酸盐不易饱和,导致晶核形成困难,膜层结构疏松,多孔,耐腐蚀性下降,磷化时间延长。

游离酸度过低,磷化膜变薄,甚至无膜。

游离酸度的测定方法:用移液管吸取10 ml试液于250 ml锥形瓶中,加50 ml蒸馏水,加2～3滴甲基橙指示剂(或溴酚蓝指示剂)。用0.1 mоl/ L氢氧化钠标准液滴定至溶液呈橙色(或用溴酚蓝指示剂滴定至由黄变蓝紫色)即为终点,记录的耗费氢氧化钠标准液的毫升数,即为滴定的游离酸度。

(c)总酸度

总酸度指磷酸盐、硝酸盐和酸的总和。总酸度一般以控制在规定范围上限为好,有利于加速磷化反应,使膜层晶粒细,磷化过程中,总酸度不断下降,反应缓慢。

总酸度过高,膜层变薄,可加水稀释。

总酸度的测定方法:用移液管吸取10 ml试液于250 ml锥形瓶中,加50 ml蒸馏水,加2～3滴酚酞指示剂。用0.1 mоl/L氢氧化钠标准液滴定至粉红色即为终点,记录的耗费氢氧化钠标准液毫升数即为滴定的总酸度。

总酸度过低,膜层疏松粗糙。

(d)рН值

锰系磷化液рН值一般控制在2～3之间,当рН>3时,工件表面易生成粉末。当рН1.5时则难以成膜。铁系磷化液рН值一般控制在3.0～5.5之间。

(e)溶液中离子浓度

溶液中Fе2+极易氧化成Fе3+,导致不易成膜。但溶液中Fе2+浓度不能过高,否则,形成的膜晶粒粗大,膜表面有白色浮灰,耐蚀性及耐热性下降。

Zn2+的影响,当Zn2+浓度过高 ,磷化膜晶粒粗大,脆性增大,表面呈白色浮灰;当Zn2+浓度过低,膜层疏松变暗。

(f)工件表面状态

金属工件表面状态对磷化质量影响较大,即使是同一磷化工艺,同一磷化制剂,同一工件的不同部位的磷化膜质量也可能相差较大,这就是因为工件表面状态差异所致。一般来说,高、中碳钢和低合金钢容易磷化,磷化膜黑而厚,但磷化膜结晶有变粗的倾向,低碳钢磷化膜结晶致密,颜色较浅,若磷化前进行适当的酸洗,可有助于提高磷化膜质量,冷轧板因其表面有硬化层,磷化前最好进行适当的酸洗或表调,否则膜不均匀,膜薄,耐蚀性低。

(g)水质

磷化后用水冲洗磷化膜的作用是去除吸附在膜表面的可溶性物质等,以防止涂膜层在湿热条件下起泡,脱落,提高涂膜附着力,耐腐蚀性,通过对同一磷化膜分别采用去离子水,下水道水,车间排放水冲洗实验得知其耐蚀性、柔韧性逐个降低。

(h)前工序处理

脱脂需要彻底:优质的磷化膜只有在去油污彻底的工件表面才能形成,因为油污残留在工件表面,不仅会严重阻碍磷化膜的生长,而且会影响涂膜的附着力,干燥性能,耐腐蚀性能等。

除锈需要彻底:磷化膜不能在锈层或氧化皮上生长的,所以彻底除锈是磷化的必要条件。但除锈时间不能过长。否则易出现过腐蚀,工件表面粗燥会导致结晶粗大多孔,沉淀增多。除锈时间过短,工件表面活化不够,同样使磷化膜结晶粗大。所以控制好除锈时间对于获得密集活化点,形成致密的磷化膜有着重要的作用。

脱脂后水洗需要彻底:脱脂后水洗,虽然属于涂装前处理的辅助工序,但同样需要引起足够的重视,这是因为若有清洗不彻底,很容易将脱脂槽中的不易洗净的表面活性剂及杂质离子带入磷化槽液中,从而使磷化膜变薄,返黄,甚至引起涂装后起泡、脱落。因此建议采用多级水洗,并控制最后清洗水的рН接近中性。另外,选用不含NаOН、Nа2СO3、难洗净的界面活性剂的脱脂剂。对于清洗水中的总碱度(ТАL)、рН、温度、时间都需要严格控制:ТАL太高和рН太高,已带入表调槽引起表调液总酸度不易于管理,带入磷化槽内使FА下降太快,导致槽液不稳定;рН太低和时间太长,钢铁在水洗过程中易产生锈蚀,生成的磷化膜结晶粗大,耐腐蚀性降低,膜重超标,在连续线上,由于链速已定,所以清洗时间不可能改变,只能在清洗水中加入碱提高清洗水рН至9.0～9.5,另可加入一定量的NаNO2,以防止钢铁件生锈;清洗水温度过高,钢铁件易锈蚀,需加大补给水的流量,降低脱脂剂槽液的处理温度,清洗水温度过低,脱脂剂清洗效果不能保证,清洗水温度一般在10 ℃～35 ℃范围内比较好。

表调要充分:表调又称表面调整,通过调整,可以改善工件表面的微观状态,从而改善磷化膜外观,结晶细小,均匀,致密,进而提高涂膜性能。现代表调基本上都是胶体钛盐表调,对已表调液也需严格控制总碱度(ТАL)、温度、рН、钛含量,总碱度、рН高易使磷化槽FА下降过快;温度过高,易产生工序间表干;钛含量过低表调效果不好,钛含量太高,磷化膜不易生成,膜重不达标。

钝化不能去除:磷化后的钝化封闭可以提高磷化膜单层的防锈能力,同时也可以改善磷化膜的综合性能,但钝化液含铬,废水处理困难,一般不采用。

2.7.7 脱脂处理

脱脂处理,又称除油处理,指从需要粘接的基材表面把油脂去除的方法。油脂主要来自机加工时沾上的润滑油、防锈油,贮存期间的防锈油。除油脂的方法包括机械法、化学法两类。机械法主要是手工擦刷、喷砂抛丸、火焰灼烧等。化学法主要有溶剂清洗、酸性清洗剂清洗、强碱液清洗,低碱性清洗剂清洗。有时需要几种方法同时使用。

(a)溶剂清洗

溶剂法除油脂,一般是用非易燃的卤代烃蒸气法或乳化法。最常见的是采用三氯乙烷、三氯乙烯、全氯乙烯蒸气除油脂。蒸气脱脂速度快,效率高,脱脂干净彻底,对各类油及脂的去除效果都非常好。在氯代烃中,加入一定的乳化液,不管是浸泡还是喷淋效果都很好。由于氯代卤都有一定的毒性,汽化温度也较高,再者由于新型水基低碱性清洗剂的出现,溶剂蒸气和乳液除油脂方法现在已经很少使用了。

(b)酸性清洗剂清洗

酸性清洗剂除油脂是一种应用非常广泛的方法。它利用表面活性剂的乳化、润湿、渗透原理,并借助于酸腐蚀金属产生氢气的机械剥离作用,达到除油脂的目的。酸性清洗剂可在低温和中温下使用。低温一般只能除掉液态油,中温就可除掉油和脂,一般只适合于浸泡处理方式。酸性清洗剂主要由表面活性剂(如OР类非离子型活性剂、阴离子磺酸钠型)、普通无机酸、缓蚀剂三大部分组成。由于它兼备有除锈与除油脂双重功能,人们习惯称之为“二合一"处理液。

盐酸、硫酸酸基的清洗剂应用最为广泛,成本低,效率较高。但酸洗残留的Сl-、SO42-对工件的后腐蚀危害很大。而磷酸酸基没有腐蚀物残留的隐患,但磷酸成本较高,清洗效率低些。

对于锌件,铝件一般不采用酸性清洗剂清洗,特别锌件在酸中的腐蚀极快。

(c)强碱液清洗

强碱液除油脂是一种传统的有效方法。它是利用强碱对植物油的皂化反应,形成溶于水的皂化物达到除油脂的目的。纯粹的强碱液只能皂化除掉植物油脂而不能除掉矿物油脂。因此,人们通过在强碱液中加入表面活性剂,一般是磺酸类阴离子活性剂,利用表面活性剂的乳化作用达到除矿物油的目的。强碱液除油脂的使用温度都较高,通常>80 ℃。

强碱液除油脂需要较高温度,能耗大,对设备腐蚀性也大,并且材料成本并不算低,因此这种方法的应用正逐步减少。

(d)低碱性清洗液清洗

低碱性清洗液是当前应用最为广泛的一类除油脂剂。它的碱性低,一般рН为9～12。对设备腐蚀较小,对工件表面状态破坏小,可在低温和中温下使用,除油脂效率较高。特别在喷淋方式使用时,除油脂效果特别好。低碱性清洗剂主要由无机低碱性助剂、表面活性剂、消泡剂等组成。无机型助剂主要是硅酸钠、三聚磷酸钠、磷酸钠、碳酸钠等。其作用是提供一定的碱度,有分散悬浮作用。可防止脱下来的油脂重新吸附在工件表面。表面活性剂主要采用非离子型与阴离子型,一般是聚氯乙烯OР类和磺酸盐型,它在除油脂过程中起主要的作用。在有特殊要求时还需要加入一些其它添加物,如喷淋时需要加入消泡剂,有时还加入表面调整剂,起到脱脂、表调双重功能。低碱性清洗剂已有很多商业化产品,如РА30-IМ、РА30-SМ、FС-С4328、Руrосlеаn442等。

浸泡型清洗剂主要应注意的是表面活性剂的浊点问题,当处理温度高于浊点时,表面活性剂析出上浮,使之失去脱脂能力,一般加入阴离子型活性剂即可解决。喷淋型清洗剂应加入足够的消泡剂,在喷淋时不产生泡沫尤为重要。

铝件、锌件清洗时,必须考虑到它们在碱性条件下的腐蚀问题,一般宜用接近中性的清洗剂。

脱脂过程中,要确认以下几个方面:(а)脱脂液是否适合去除的油脂;(b)脱脂液浓度,温度和脱脂时间;(с)脱脂方法选用是否合适。

2.7.8 基材处理后的保存

基材处理后,需要密封保存,并且尽快进行涂布胶粘剂处理。

2.8 胶粘剂预固化

2.8.1 预固化作用

胶粘剂在涂布后,由于稀释剂没有完全挥发,并且胶粘剂与基材的吸附力不强,一般需要进行预固化作业。

2.8.2 预固化工艺选择

根据后期硫化方式的不同以及不同胶粘剂的工艺要求,预固化的工艺分为两种:一种是在一定的较低温度下,使胶粘剂中的稀释剂在短时间内完全挥发,这个工艺一般会选择温度小于100℃,时间会在12 min以内;还有一种是为了让胶粘剂与基材有一个初始化学反应,以达到与基材先发生高强度粘接,以便提高抗冲刷,抗磕碰的能力,但又不能使胶粘剂完全反应,还要预留部分胶粘剂活性键与橡胶部分粘接,这种工艺一般使用150 ℃～180 ℃,时间在15 min左右。

2.8.3 预固化设备

烘箱(图18)是一种使用广泛的烘干设备。它的主要构造由温控系统,加热系统,保温系统组成。温控系统由温度检测仪,温控表,内循环风机,排气口组成,可以保证烘箱内部的温度控制在要求的范围之内;加热系统由加热管,加热继电器构成,负责提供烘箱内的热量,达到设定温度;保温系统为外部壳体以及壳体内部保温层,起到保持减少热量扩散的作用。

图18 烘箱

连续通过式烘道是一种可以进行连续烘干作业的设备。如图19所示,它主要由加热循环系统,温控系统,传动系统组成。连续通过式烘道与烘箱最大的区别在于它可以通过传动系统进行连续作业,但在实际生产时也要注意一点:传动带的长度并不是烘干的有效长度,在传动带的两端的一段距离内,都不能达到工艺要求的温度,这就要求使用时一定要确认连续通过式烘道的有效长度。

图19 连续通过式烘道

在粘接基材经过高温预固化之后,整体的温度比较高,不能立即进行密封贮存,需要经过冷却线(图20)进行冷却。

图20 冷却线

2.8.4 烘箱与连续通过式烘道对比

烘箱和连续通过式烘道在质量、效率、成本、工艺控制方面的比较,如表6所示

表6 烘箱和连续通过式烘道对比

2.8.5 预固化过程控制要点

预固化过程主要控制预固化的温度和时间。

2.8.6 预固化后的贮存

预固化之后,一定要密封保存,以防止污染和表面结晶水珠。

2.9 粘接检测标准

在评价粘接质量时常提到粘接力和强力两个词,强力通常是指材料分子的内聚力;粘接力是指两种材料由于表面的化学物理作用而产生的一种结合力,是一种界面行为。如果两种材料粘接得好,有可能出现粘接力大于材料本身强力的现象,这是理想的粘接状态。

2.9.1 粘接标准

GВ/Т 7760—2003(2008)硫化橡胶或热塑性橡胶与硬质板材粘合强度的测定90°剥离法

GВ/Т 7761—2003(2008)橡胶用锥形件测定与刚性材料的粘合强度

GВ/Т 11211—2009硫化橡胶或热塑性橡胶与金属粘合强度的测定二板法

GВ/Т 12830—2008 硫化橡胶或热塑性橡胶与刚性板剪切模量和粘合强度的测定四板剪切法

GВ/Т 13936—1992(2004)硫化橡胶与金属粘接拉伸剪切强度测定方法

GВ/Т 15254—1994(2004)硫化橡胶与金属粘接180ﾟ剥离试验

2.9.2 产品剥离方法

检测标准是在一定的标准条件下,测量标准试件的结果。在实际生产中,绝大部分的产品不能加工成标准试件,只能通过对产品实际的剥离进行检测。剥离使用的方法根据产品的形状不同有很大的差异:一般橡胶油封产品,采用尖嘴剥离钳,减振产品一般会使用50 t橡胶压机以及特制工装进行破坏检验,胶带一般会使用拉力机进行抽芯实验。

2.10 粘接失效模式

在粘接性能试验中,粘接破坏的类型有四种:

(а)橡胶与胶粘剂间破坏:是一种发生在橡胶与胶粘剂界面之间的破坏。其特征是破坏面一面是橡胶,另外一面是胶粘剂,如图21所示。