铬酸处理的超高分子量聚乙烯板材粘结性研究
2018-07-16齐宏岗王跃平
齐宏岗，王跃平
(1.山东科力新材料有限公司，山东 淄博 255000；2. 中石化齐鲁分公司塑料厂，山东 淄博 255000)
0 前言
UHMWPE(超高分子量聚乙烯)板材具有高耐磨性、高抗冲击性、自润滑性等优良特性，工业上大量用于各种磨料输送、存储设备的衬板。目前板材的连接方法为螺栓固定法，操作复杂、耐用性及密封性差，因此，急需一种方便、快捷的板材粘结方法。由于UHMWPE具有表面惰性，其表面粘附性极差[1]，粘接前必须进行表面处理。目前的研究主要针对UHMWPE纤维的表面处理，还没有关于板材表面处理的方法，纤维的最佳表面处理方法为化学处理法中的铬酸刻蚀法[2]。本文参照纤维的表面处理方法，对UHMWPE板材进行表面处理[3]，再进行涂胶粘结，测试粘结强度，最终确定UHMWPE板材的表面处理及粘结的最佳条件。
1 实验部分
1.1 实验原料
UHMWPE板材：牌号GUR4012，自行挤出板材，塞拉尼斯(中国)投资有限公司；
重铬酸钾：化学纯，天津市化学试剂三厂；
浓硫酸：化学纯，莱阳市东方化工有限公司；
无水乙醇：分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工厂；
透明聚烯烃胶：上海康达化工新材料股份有限公司。
1.2 仪器和设备
单螺杆挤出机：SJ-45B型，山东恒润邦和机械制造有限公司；
数显恒温水浴箱：HH-S4型，常州普天仪器制造有限公司；
微机控制电子拉力试验机：WDL-30型，济南新试金试验机有限公司；
红外光谱仪：MAX型，德国斯派克分析仪器公司；
扫描电子显微镜：Quanta 250型，美国菲达康有限责任公司。
1.3 溶液配制、板材表面处理和板材粘结
按重铬酸钾︰浓硫酸︰蒸馏水=5︰60︰3的比例，配置铬酸溶液。
(1)刻蚀温度对UHMWPE板材表面处理的影响。将UHMWPE样板置于铬酸溶液中，分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃下进行刻蚀处理，0.5 h后取出，先用蒸馏水清洗，然后用无水乙醇清洗，再进行烘干，待冷却至室温后，进行涂胶粘结处理。
(2)刻蚀时间对UHMWPE板材表面处理的影响。将UHMWPE样板置于铬酸溶液中，在一定温度下分别刻蚀10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、1 h、2 h，取出后先用蒸馏水清洗，然后用无水乙醇清洗，再进行烘干，待冷却至室温后，进行涂胶粘结处理。
(3)粘结时间对UHMWPE板材粘结强度的影响。将粘结处理的样板分别放置2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、9 d之后，用电子拉力试验机测试粘结强度，并与未进行表面处理的样板进行对比。
1.4 测试与分析
IR(斯派克台式直读红外光谱仪，MAX)分析未经处理和经过铬酸处理的UHMWPE板材的活性基团。SEM(扫描电子显微镜，Quanta 250型)对刻蚀前后的UHMWPE板材表面进行观察。微机控制电子拉力试验机(WDL-30型，济南新试金试验机有限公司)测试板材的粘结强度，试验方法按照GB/T 8804.3—2003进行。
2 结果与讨论
2.1 刻蚀温度对粘结强度的影响
铬酸刻蚀温度对UHMWPE板材粘结强度的影响曲线见图1。
图1 铬酸刻蚀温度对板材粘结强度的影响
由图1曲线趋势可知，当溶液温度达到80 ℃时，粘结强度达到峰值，随着刻蚀温度的进一步增大，材料的粘结强度逐渐平缓，并有下降趋势。因此，最佳刻蚀温度为80 ℃。究其原因，主要是80 ℃时，引入的官能团较多，对材料表面改性较好。
2.2 刻蚀时间对粘结强度的影响
铬酸刻蚀时间对UHMWPE板材粘结强度的影响曲线见图2。
图2 铬酸刻蚀时间对板材粘结强度的影响
由图2曲线趋势可知，当刻蚀时间达到20 min时，粘结强度达到峰值，随着刻蚀时间的进一步延长，材料的粘结强度逐渐平缓。因此，最佳刻蚀时间为20 min。
2.3 粘结时间对粘结强度的影响
粘接时间对UHMWPE板材粘结强度的影响曲线见图3。
由图3曲线趋势可知，UHMWPE板材的粘结强度随着粘结时间的增加而提高，当粘结时间达到6 d时，其粘结强度达到峰值，随着粘结时间的进一步延长，板材的粘结强度稳定下来。因此，最佳粘结时间为6 d。究其原因，主要与粘结剂的固化时间有关。
图3 粘结时间对板材粘结强度的影响
2.4 红外光谱(IR)分析
未处理UHMWPE板材的红外光谱图见图4，80 ℃铬酸刻蚀20 min红外光谱图见图5。
图4 未处理板材红外光谱图
图5 80 ℃时铬酸刻蚀20 min红外光谱图
2.5 扫描电子显微镜(SEM)分析
由图6可知，未处理板材表面光滑平整，无任何突起和凹痕，较为稳定。
图6 未处理板材表面电镜扫描
由图7可知， 80 ℃时铬酸刻蚀20 min样品表面有明显而且均匀的刻蚀痕迹，刻蚀情况较为完全，样品表面整体刻蚀情况较为完整，刻蚀效果较优。
3 结论
(1)在80 ℃铬酸溶液中刻蚀20 min后，板材表面的处理效果最明显；
(2)板材的最佳粘结时间为6 d，粘结强度达到最高值；
图7 80 ℃时铬酸刻蚀20 min电镜扫描
(3)以上只是在实验室得出的数据，具体的工业应用条件还需要依据具体工况进行进一步的实验。
