硅橡胶与金属粘接研究

刘志浩 陈焕霆

摘要：硅橡胶与金属粘接强度对硫化电缆硫化成型合格率产生影响，一般，硫化电缆失效发生位置多为硫化橡胶和电连接器金属外壳结合部位。本文硅橡胶与金属粘进行详细介绍。

关键词：硅橡胶;粘接;硫化

金属-橡胶硫化粘接已广泛地应用于许多工业领域，如机械工程、建筑、船舶及军事工业中履带式装甲车辆负重轮、履带板着地胶及履带衬套的粘接等，由于橡胶和金属是相差极大的异质材料，同被粘橡胶的厚度相比，胶粘剂层相对较薄，大约20微米，是金属与橡胶间的良好的界面过渡层材料，因此选择优良的胶粘剂对获得金属-橡胶良好的粘接是至关重要的。本文针对橡胶与金属的粘接性能进行研究，为后续产品设计提供指导经验。

一、硅橡胶粘接体系发展状态

橡胶与金属之间的粘接已有很久的历史，可以追溯到1850年，目前采用的粘接方法可分为直接粘接法、硬质橡胶法、镀黄铜法和胶粘剂粘接法。

直接粘接法工艺简单，操作方便，将粘接材料表面进行适当处理后直接在加热加压过程中实现粘接。可通过在橡胶中加入一些组分、在胶料表面涂偶联剂或对对橡胶进行环化处理等来提高橡胶与金属的粘接性能。

硬质橡胶法是最古老的粘接体系，在金属表面贴一层硫磺含量较高的硬质胶料或一层硬质胶浆，通过硫化使橡胶与金属粘接起来，硬质橡胶法粘接力较强，工艺简便，适于粘接大型制件。

胶粘剂法是目前应用最广和最有效的方法，已经历了酚醛树脂、多异氰酸酯、卤化橡胶、特种硫化剂的卤化橡胶、硅橡胶和水基胶粘剂等不同的发展阶段。至今国外已开发出了多种性能优异的胶粘剂，如Chenlok、Tylok、Metalok、Thixon等，特别是Chenlok系列品种繁多，并不断有新型产品出现，在国内有较广泛的使用。

二、理论分析

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、电磁理论等。对于液态胶及采用单涂型粘接剂的粘接机理，其中胶粘剂或底图型胶粘剂与金属发生粘接主要是通过胶粘剂浸润金属表面后渗入到金属表面的空隙凹孔内，并排除界面上吸附的空气，同金属表面充分接触，然后产生吸附作用和各种啮合形式的机械作用以产生足够的粘接强度，胶粘剂与橡胶之间则通过分子或扩链段的相互扩散、渗透和共同交联作用而实现粘接，同时胶粘剂与橡胶内部也各自发生一系列的物理化学反应，从而使橡胶和金属形成一个牢固的连接体。

三、橡胶与金属粘接表面处理方法

由于橡胶的特性，在橡胶与金属粘接时，通常都要对金属表面进行处理，以获得更佳的粘接强度，通常采用物理方法和化学方法。

3.1 表面清洗

清洗金属或其它基材表面的目的是除去所有的杂质，以便作进一步处理。重复使用已经用过的喷射净化材料可能会使已清洁的表面变脏。机械处理的第一阶段是在阻燃溶剂的蒸汽中脱脂。脱脂后的零件置于铁丝网里，再放进蒸汽槽中。经过这种处理，金属零件上不可能再有油脂积垢，因为与金属接触的只有清洁新鲜溶剂或其蒸汽。

3.2用水溶性清洁剂清洗

在溶剂槽中脱脂对装备的环保要求越来越严格，引起了不少争议。在水介质中清洗金属则是可能代替在溶剂蒸汽中脱脂的方法。应用三组清洁剂：（1） 酸性的（PH3.5～5. 5）;（2） 中性的（PH7.5～8）;（3） 堿性的（PH>8）。

3.3 机械方法处理

用机械方法处理金属表面包括喷砂清洗、打毛、用刷子清洁，这些过程的目的是除去锈蚀和熔渣，并得到无氧化层的表面。

针对电缆组装件中连接器金属外壳，通常采用喷砂的方式进行处理，在喷砂清洁时选择二氧化硅颗粒，粒子尺寸应为0.5mm～0.8mm ，喷砂时沙粒将金属表面层的氧化膜除去，但是此种方法会破坏金属原有的表面镀层，喷砂后零件表面缺乏保护层，在空气中长期存放时又会产生二次氧化，所以喷砂处理后需要立即清洗并涂覆粘接剂，及时使用。

3.4化学处理法

金属材料长期放置在空气中后，金属会与空气中的氧气反应形成一致密层的金属氧化物，这些氧化物会阻碍粘接剂和金属的结合，降低橡胶与金属的粘接性能，所以通常选用化学方法除去金属表面的氧化物，常用的方法有酸洗、碱洗、磷化处理等。

四、橡胶与金属粘接失效原因分析

4.1 金属与橡胶粘接失效类型

根据橡胶和金属的粘接原理，橡胶与金属硫化粘接常见的失效类型主要有以下三类：（1）底涂型胶粘剂与金属间破坏;（2）橡胶与面涂型胶粘剂之间破坏;（3）胶粘剂内部破坏。

4.2 金属与橡胶粘接失效原因

4.2.1底涂型胶粘剂与金属间破坏

第一、金属表面处理不当：a、金属表面处理程度不够：金属表面处理的要作用是除掉金属表面的锈蚀层和油脂、污物等，获得清洁、干燥并具有足够粗糙度的活性表面，以利于胶粘剂的浸润和吸附。b、金属表面不清洁：金属表面清洗不净或清洗后再次被污染而导致表面有油渍、杂质、残留清洗剂等，则实际上相当于在金属表面产生一界面层。

第二、胶粘剂选择不当：a、胶粘剂或底涂胶粘剂粘度过大，不能有效浸润金属表面或者在金属与胶粘剂界面产生气泡并在气泡周围发生应力集中。b、胶粘剂虽能够有效浸润金属表面，但固化后与金属作用力太低。

4.2.2 橡胶与面涂型胶粘剂之间破坏

在硫化粘接过程中，橡胶分子和胶粘剂分子首先发生两相分子间互相渗透和扩散的物理反应，然后两相分子间、各相内部分子间发生交联化学反应，从而使两相结合为牢固的一体。

第一、橡胶胶料不合适：如果胶料中的配合剂喷霜或抽出而迁移到胶

第二、胶粘剂因素：a、胶粘剂与被粘橡胶不匹配，b、胶粘剂搅拌不均匀、涂刷完毕后晾置时间不够或者涂胶面被污染。

4.2.3 橡胶内部破坏

就粘接破坏形式而言，一般橡胶与金属粘接体系所要求的理想破坏形式是100%橡胶本体破坏，此时的粘接强度主要取决于硫化胶的物理机械性能。假如此时的粘接强度仍未达到粘接要求，则可能是胶料本身的强度太低，或者是胶粘剂在向橡胶相发生扩散、迁移并发生物理化学反应时对界面处橡胶改性，降低该处橡胶的强度。

五、橡胶与金属粘接失效解决方法

5.1底涂型胶粘剂与金属间解决方法

针对金属表面处理不当：由于金属表面处理程度不够和表面不清洁，会造成粘接失效，因此，在刷涂底涂前，先进行表面处理工序，通常为1）表面清洗，将金属放入蒸汽中脱脂处理;2）用水溶性清洁剂清洗，使用酸性、中性或碱性清洗剂对金属表面进行清洗;3）机械方法处理，采用喷砂清洗、打毛、用刷子清洁，对粘接表面进行清洗;4）化学处理法，使用酸洗、碱洗、磷化处理的方法，处理掉粘接表面的氧化层。

5.2 橡胶与面涂型胶粘剂之间破坏解决方法

针对橡胶胶料不合适：需要选着合适的胶料，避免选着胶料中含有会发生喷霜或抽出配合剂的胶料，如果胶料中必须含有此类成分，可在混炼硅胶过程添加聚合物防止硫化电缆出现喷霜或抽出现象。

針对胶粘剂因素：前期要进行实验验证选择匹配的粘接剂，对于双组份的胶粘剂，需要将A、B剂充分搅拌均匀，刷涂后按照说明书凉置或者烘培。

5.3橡胶内部破坏解决方法

此类失效为硫化胶的物理机械性能失效。胶粘剂在向橡胶相发生扩散、迁移并发生物理化学反应时对界面处橡胶改性，降低该处橡胶的强度，可以采用增加稳定剂来防止粘接剂扩散、迁移对橡胶成分进行影响，降低橡胶的强度。

六、结束语

随着社会的发展、工业的进步，橡胶与金属粘接在汽车、航天、船舶、建筑等各个领域的应用越来越广泛，对粘接性能和粘接工艺的要求也越来越高，影响橡胶与金属的粘接强度因素比较多，本文从粘接原理、失效原因等方面进行分析研究，解决了橡胶在粘接中失效问题，为后续橡胶粘接提供可靠保障。

参考文献

[1]张建庆.一种室温固化的金属与橡胶粘合剂的研究[J].化学世界，1998.

[2]于庆溪.橡胶原材料手册第二版，北京：化学工业出版社，2006.7.