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玻璃钢/橡胶复合结构界面胶接问题的研究

   日期:2015-03-09     浏览:188    
核心提示:作者:韩丽华 迟倩萍1前言  众所周知,玻璃钢作为一种最早出现的复合材料,具有许多其它材料无法比拟的特
作者:韩丽华 迟倩萍

1 前言
  众所周知,玻璃钢作为一种最早出现的复合材料,具有许多其它材料无法比拟的特性,如重量轻、比强度高、成型方便、耐腐蚀等。但是世上没有万能的材料,如在航空航天领域里使用的复合材料,大都是用作结构材料。因此不但要求这种材料具有高的力学强度,还要求具有良好的耐热性、耐烧蚀性。若要达到这两方面的要求,必须使基体树脂固化交联度高,结果又带来了材料韧性差、脆性大、易发生脆性断裂的问题,这又是人们所不期望的。
  许多学者试图找到一种好的方法,即能提高复合材料的韧性,又不使它的模量和耐热性下降。人们大多是从树脂改性来着手解决这个问题,其效果并不显著。可是若将玻璃钢与橡胶联接在一起,构成一个复合结构,使之即具有高的力学强度,又具有良好的耐烧蚀性能,不失为解决这个问题一个较为简单而又有效的方法。
  玻璃钢与橡胶是两种完全不同的材料,它们的物理性能、化学结构和机械性能都有着极大的差别。怎样才能使这两种不同的材料结合在一起成为人们所需要的具有不同特性的复合制品呢?粘接就是非常适用的一种方法。而且在这类产品中,粘接技术也是决定复合制品性能的重要因素之一。
2 玻璃钢与橡胶的粘接机理
  粘接是被粘物与胶粘剂接触后分子间力作用的结果。粘接早期,胶粘剂必须是具有与被粘物表面相同或相似的分子间作用力,易于浸润被粘物表面,两相间最好是面接触,以利于完成初步的界面粘接。胶粘剂固化成为高聚物主要是完成内聚粘接,同时补充完成界面粘接。同样对于玻璃钢/橡胶复合结构的界面胶接,则是通过胶粘剂与玻璃钢、胶粘剂与橡胶两个界面之间的吸咐、扩散、交联反应,以及橡胶内部的硫化反应和胶粘剂内部的固化反应产生相当高的粘接强度。结果在低模量的橡胶与高模量的玻璃钢之间,胶粘剂形成了模量梯度,以减少复合结构受力时的应力集中,使玻璃钢/橡胶复合结构具有良好的性能。
3 胶粘剂的选择
  胶粘剂的基本功能,是将被粘物联接起来。由于不存在能满足所有材料、所有应用条件和所有粘接条件的万能胶粘剂,所以对需要粘接的复合结构要判定哪些性能或条件才是最重要的。通常在选择胶粘剂时主要考虑的因素是:被粘材料的性能、粘接制品的强度要求和耐久要求、粘接制品的服务要求、胶粘剂本身的性质及工艺上的特别要求。
  对于玻璃钢/橡胶复合结构的界面粘接,首先要考虑的一个重要因素就是两种被粘材料物理性质和化学性质的差异。对于橡胶而言,它是柔性材料,而玻璃钢是一种高强度的刚性材料,这样被粘体的可曲挠性和热膨胀性的差异会在胶层内产生应力,这种内应力有可能会使粘接制品在没有外加荷载前就已经发生胶粘剂的内聚破坏了。
  本着相同材料之间应力最小的原则。对于不同组成的被粘材料,有人提出,如果两种材料的弹性模量各自为E1和E2总的相对伸长各自为L1和L2。要满足最小应力的必要条件,就要使胶粘剂的弹性模量接近于12(E1+E2),总伸长接近于12(L1+L2)。〔此处L为施张力于单位长度时的长度变化〕。就我们的工作经验而言,不能指望单一胶粘剂其流变性、热膨胀性和化学稳定性都与被粘材料类似,这时只能通过调节胶粘剂的组成来选择合适的胶粘剂。基于玻璃钢本身就是一种树脂基复合材料,所以我们选择了与玻璃钢基体同一体系的树脂胶粘剂,并把具有柔性链段的橡胶引入到树脂胶粘剂的交联结构中,起到内增韧的作用,从而形成适用于玻璃钢/橡胶复合结构的胶粘剂。
4 粘接工艺
  许多人认为只要选择了好的胶粘剂,就一定会牢固可靠,但是结果又常常使他们大失所望。事实上要使胶粘剂达到预期的效果,还有许多至关重要的因素要考虑,而粘接工艺就是其中十分重要的一项。
  粘接工艺一般从三个方面来考虑,首先是被粘物的表面处理;其次是胶粘剂的配制;最后是粘接压力的选择。表面处理的目的,就是要改变被粘物体的表面构造和组成。对于橡胶而言,由于橡胶品种的不同, 其表面处理的方法也不同。对于天然橡胶,如果是一般胶接可采用脱脂、打磨、喷砂。当要求有较高的粘接强度时,可用化学处理法。即在室温下用硫酸(浓度为93%,此重为1.84)处理2~10分钟,然后用冷水彻底洗净、干燥。对于许多合成橡胶而言,可用同样的物理方法表面处理。但在酸处理时,却要在室温下处理10—15分钟,然后用冷水彻底洗净、干燥。而对于丁基橡胶,一般不宜于用硫酸处理,可在脱脂后,用加入酯族溶剂的丁基胶打底。
  在脱脂时要注意选择合适的溶剂,要求它即对油污有很好的溶解能力,易挥发,又与被粘物不发生化学反应,且润湿负压低。一般天然橡胶可用甲醇,而合成橡胶按其品种分别可选用甲苯、甲醇、丙酮、丁酮等。硫化橡胶若表面局部粘接时,当进行表面处理时,不宜采用多量溶剂洗涤。一般应用少许溶剂多次清洗,以免把不需处理部分表面上的脱模剂扩散到处理面上来,反而妨碍了粘接。胶粘剂的配制则需根据胶粘剂的组份选择不同的配料顺序。首先要注意各组份之间的化学反应及其速度,其次要根据需要选择合理的配胶温度,配制出合用的胶粘剂。一般在粘接工艺中,都要考虑加压问题。加压的目的即是为了润湿,有利于粘接,同时也可以控制胶膜厚度。所以要根据实际情况,施加合理压力。粘接工艺中并不是压力越大越好。
5 结论
  随着新材料、新工艺、新技术的开发应用,玻璃钢/橡胶复合制品的用途将日益之泛。同时由于玻璃钢的特性———随着树脂和纤维的不同而具有不同的性质和用途。所以对玻璃钢/橡胶复合结构界面间的粘接问题,要分别对待,因材而宜。在生产过程中不断发现新问题,并不断加以研究改进,使其达到最佳粘接效果。
 
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