MEK溶劑型鹵化法處理的粘接效果分析,化工論文

天然橡膠采用TCCA/MEK溶劑型鹵化法處理的粘接效果分析,化工論文內(nèi)容摘要：通過TCCA/MEK溶劑型鹵化法處理天然橡膠〔NR〕，以解決其外表能低、粘接性能差的問題，并討論了T型剝離強度確定最佳處理工藝。研究結(jié)果表示清楚：T型剝離強度確定最佳處理工藝為，先將NR打磨，在室溫下外表涂覆，w〔TCCA〕=15%〔相對于TCCA/MEK溶液質(zhì)量而言〕，且處理時間20min;用801強力膠粘接處理后的NR,T型剝離強度可到達2.85N/mm,毀壞方式為內(nèi)聚毀壞。本文關(guān)鍵詞語：天然橡膠；化學(xué)處理；粘接性能；膠粘劑；Abstract:Naturalrubber〔NR〕wastreatedbyTCCA/MEKsolventbasedhalogenationmethod,inordertosolvetheproblemsoflowsurfaceenergyandpoorbondingproperty.AndtheT-typepeelstrengthwasdiscussedtodeterminetheoptimaltreatmentprocess.TheresearchresultsshowedthattheoptimaltreatmentprocessdeterminedbyT-typepeelstrengthwastopolishtheNRfirst,andthencoatthesurfaceatroomtemperature,w〔TCCA〕=15%〔relativetothemassofTCCA/MEKsolution〕，andthetreatmenttimewas20min.Afterbondingtreatmentbysuperadhesive801,theT-typepeelstrengthofNRcouldreach2.85N/mm,andthefailuremodewascohesivefailure.Keyword:naturalrubber;chemicaltreatment;bondingproperty;adhesive;0前言隨著軌道車輛向高速化、輕量化發(fā)展以及人們對乘坐舒適性要求的日益提高，橡膠類高分子材料在軌道車輛中的應(yīng)用越來越廣泛。天然橡膠〔NR〕由于具有彈性好、耐磨、耐腐蝕性能優(yōu)良的特性，廣泛用于軌道車輛的軌下橡膠墊板、減震器、風(fēng)擋等部件[1,2,3],華而不實的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)之一就是橡膠與其他構(gòu)造部件的粘接與固定[4].但是NR外表的非極性構(gòu)造導(dǎo)致其粘接性能差[5],因而需要通過外表處理提高粘接性能，以合適在高速列車中的應(yīng)用。物理處理方式方法改性效果好，但是設(shè)備復(fù)雜，難于工業(yè)化。溶劑型鹵化處理法設(shè)備簡單，經(jīng)過可控性好，粘接接頭在較長時間后仍然能夠保持較強的粘接強度[6,7].因而，本文采用鹵化方式方法處理NR,研究處理工藝對NR粘接性能的影響，并對軌道車輛常用膠粘劑進行挑選，進一步提高NR的粘接性能。1試驗部分1.1試驗原料天然橡膠〔NR〕，工業(yè)級，上海昂勝工貿(mào)有限公司；異丙醇，分析純，天津市春寶祿商貿(mào)有限公司；丙酮〔MEK〕，分析純，沈陽沈試化學(xué)試劑有限公司；三氯異氰尿酸〔TCCA〕，化學(xué)純，上海麥克林生化科技有限公司；801強力膠，工業(yè)級，臺州市椒江勤豐膠業(yè)有限公司；Sikafast-5215、Sikaflex265,工業(yè)級，西卡〔中國〕建筑材料有限公司；Terostat8590,工業(yè)級，漢高〔中國〕投資有限公司；聚氨酯密封劑，工業(yè)級〔牌號天山1956〕，北京天山新材料技術(shù)有限公司；MA832塑料復(fù)合材料粘接構(gòu)造膠，工業(yè)級，普萊克斯〔中國〕投資有限公司。1.2試驗儀器Nicolet380型傅里葉變換紅外光譜儀〔FT-IR〕，賽默飛世爾科技〔中國〕有限公司；FEIInspectF50型掃描電子顯微鏡〔SEM〕，美國FEI公司；MTSC43型電子萬能試驗機，MTS工業(yè)系統(tǒng)〔中國〕有限公司；X-MaxN型能譜儀〔EDS〕，英國Oxford儀器公司。1.3試驗制備1.3.1橡膠處理根據(jù)GB/T2791-1995標(biāo)準(zhǔn)，將橡膠裁剪為長200mm、寬〔250.5〕mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，橡膠片的厚度均勻且不超過3mm.1.3.2NR外表打磨處理需打磨的部分用銼刀均勻打磨，使磨痕呈現(xiàn)均勻條紋狀，并且橡膠原來亮的外表被打磨掉。用水充分地沖洗枯燥，再用異丙醇清洗，后枯燥備用。1.3.3TCCA/MEK溶液處理打磨后的NR外表涂覆TCCA/MEK溶液，室溫靜置一段時間，用水沖洗后枯燥并放置12h后粘接，分別控制TCCA/MEK溶液濃度為1%、2%、3%、4%和處理時間為10、15、20、25和30min.1.4測定或表征〔1〕NR試樣表征：采用FT-IR和EDS進行表征?！?〕微觀形貌：采用SEM對樣品斷面進行表征〔樣品噴金處理〕?！?〕剝離強度：根據(jù)GB/T2791-1995標(biāo)準(zhǔn)進行測定，拉伸速度為〔10010〕mm/min.2結(jié)果與討論2.1NR粘接性能研究2.1.1打磨對粘接性能的影響考察打磨對NR粘接性能的影響，選擇801強力膠作為膠粘劑，測試結(jié)果如表1所示。Tab.1EffectofpolishingonbondingstrengthofNR表1打磨對NR粘接強度的影響由表1可知：未處理的NR由于外表的非極性以及硫化劑、防老劑等小分子添加劑構(gòu)成的弱邊界層的存在，直接粘接不能得到有效的粘接接頭。打磨能夠去除部分弱邊界層雜質(zhì)，加強外表粗糙度，進而提高粘接性能。2.1.2TCCA/MEK濃度對粘接性能的影響考察TCCA/MEK濃度對NR粘接性能的影響，選擇801強力膠作為膠粘劑，測試結(jié)果如此圖1所示。圖1不同濃度TCCA/MEK處理NR的T型剝離強度Fig.1T-typepeelstrengthofNRtreatedwithdifferentconcentrationsofTCCA/MEK由圖1可知：隨著TCCA濃度的增加，粘接強度呈先減小再增大再減小的趨勢，符合橡膠的S型老化曲線[8,9].這是由于TCCA/MEK屬于酸性處理劑，會引起橡膠外表局部環(huán)化，降低材料外表的不飽和度。處理后的NR外表會出現(xiàn)微裂紋，提高了外表粗糙度，有利于膠粘劑與基材外表的機械嚙合作用，也有利于化學(xué)鍵合作用的發(fā)生。TCCA中的氯原子還會取代NR構(gòu)造中烯丙基位置的氫原子[10].由于氯原子的引入，提高了基材的外表能和潤濕性，能夠抑制弱邊界層的產(chǎn)生，有利于提高粘接性能，但是TCCA濃度過高會導(dǎo)致基材本身的力學(xué)性能下降。綜上所述，較佳處理濃度為15%.2.1.3處理時間對粘接性能的影響考察處理時間對NR粘接性能的影響，選擇801強力膠作為膠粘劑，測試結(jié)果如此圖2所示。圖2不同時間TCCA/MEK處理NR的T型剝離強度Fig.2T-typepeelstrengthofNRtreatedwithTCCA/MEKatdifferenttimes由圖2可知：隨著處理時間的延長，粘接強度呈先增大后減小再增大的趨勢，符合橡膠的S型老化曲線。隨著處理時間延長，NR外表引入的氯原子含量逐步增加，但是隨著處理時間進一步延長，溶液中有效氯離子的濃度下降。并且處理時間過度會使橡膠硬化，同時橡膠外表發(fā)生溶脹，導(dǎo)致橡膠基材本體的力學(xué)性能下降。綜上所述，較佳處理時間為20min.2.2FT-IR表征為了解外表處理前后NR外表基團的變化情況，對處理前后的試樣進行FT-IR分析，結(jié)果如此圖3所示。圖3外表處理前后NR的紅外光譜圖Fig.3InfraredspectraofNRbeforeandaftersurfacetreatment由圖3可知：2925、2854cm-1對應(yīng)亞甲基伸縮振動吸收峰，1650cm-1處為C=C伸縮振動吸收峰，1451cm-1處為亞甲基的反對稱變形振動吸收峰，873cm-1處為順式雙取代碳碳雙鍵上C-H面外變形振動吸收峰，對應(yīng)NR的化學(xué)構(gòu)造。對于未處理的NR,在1035cm-1處為C-O伸縮振動吸收峰，1530cm-1處為酰胺的特征吸收譜帶，來源于添加劑的吸收峰，證明了弱邊界層的存在[11].處理后1035、1530cm-1峰的減弱講明，外表處理能夠去除部分弱邊界層。873、1650cm-1吸收峰減弱，新的792cm-1處為C-Cl的伸縮振動吸收峰出現(xiàn)，1710cm-1處為C=O的對稱伸縮振動吸收峰，3065cm-1處為O-H的伸縮振動吸收峰，3204cm-1處為分子間氫鍵O-H的伸縮振動吸收峰。這講明外表處理引入了氯原子，同時TCCA/MEK也有一定的氧化作用，在NR外表引入了羰基和羥基。2.3SEM/EDS分析不同外表處理方式下NR的外表形貌如此圖4所示。圖4各種外表處理方式下NR的SEM照片F(xiàn)ig.4SEMimagesofNRwithvarioussurfacetreatments由圖4可知：未經(jīng)處理的NR外表較平整，有微小的泡狀凸起，來自于加工經(jīng)過中的微小顆?；虺尚湍＞叩娜毕?。經(jīng)過打磨后，外表粗糙度明顯增大。TCCA/MEK處理后，外表粗糙均勻，有利于膠粘劑在橡膠外表充分浸潤，構(gòu)成機械嚙合作用，提高粘接性能。通過EDS能譜分析能夠確定橡膠外表元素含量變化，試樣外表處理前后的EDS分析如表2所示。Tab.2SurfacecompositionofNRbeforeandaftersurfacetreatment表2外表處理前后NR外表成分由表2可知：經(jīng)過TCCA/MEK處理后，NR外表氧含量增加，且有氯元素引入。該處理方式提高了NR的外表活性，有利于膠粘劑的潤濕與鋪展，也有利于化學(xué)鍵合作用的發(fā)生。2.4實際工況下不同膠粘劑的粘接效果比照為了更合適實際工況，選擇軌道車輛常用的六種膠粘劑，華而不實包括兩種雙組分丙烯酸構(gòu)造膠〔Sikafast-5215,MA832〕、三種單組分聚氨酯彈性膠〔Terostat8590,Sikaflex265,天山1956〕、一種氯丁型膠粘劑〔801強力膠〕，801強力膠、Sikafast-5215、Terostat8590、Sikaflex265、MA832以及天山1956分別標(biāo)記為A~F.對最佳外表處理的NR進行粘接試驗，以選取最佳的膠粘劑，不同膠粘劑的T型剝離強度測試結(jié)果如此圖5所示。圖5不同膠粘劑對NR粘接強度的影響Fig.5EffectofvariousadhesiveonbondingstrengthofNR由圖5可知：各種膠粘劑都能夠得到有效的粘接接頭，且粘接接頭的毀壞方式均為基材的內(nèi)聚毀壞。由于氯原子的引入，提高了NR的外表極性，膠粘劑在橡膠外表更好地潤濕、浸透。聚氨酯型膠粘劑Sikaflex265和天山1956中的異氰酸酯基能夠和羰基構(gòu)成化學(xué)鍵，羰基氧原子還能夠與NR外表的極性氫原子構(gòu)成氫鍵，所以粘接強度較好。氯丁型膠粘劑〔801強力膠〕由于構(gòu)造組成與NR類似，所以外表潤濕性能更好[12],粘接強度較高，為2.85Nmm-1.3結(jié)束語〔1〕TCCA/MEK溶液外表處理方式方法能夠明顯改善NR的粘接性能。通過T型剝離強度測試確定了此處理方式方法的最佳工藝條件為，先將NR打磨，在室溫下外表涂覆，w〔TCCA〕=15%〔相對于TCCA/MEK溶液質(zhì)量而言〕，且處理時間20min.〔2〕TCCA/MEK處理通過鹵化作用引入氯原子，氧化作用引入極性基團羰基和羥基，清潔作用能夠去除弱邊界層。并且化學(xué)試劑的作用能夠得到均勻粗糙的外表，提高外表能，增加潤濕性，因此提高粘接性能?！?〕打磨能夠使粘接接頭強度稍有提高，機械打磨與TCCA/MEK共同作用的效果更為明顯。對于處理后的橡膠，由于類似相容理論，801強力膠與NR的粘接界面潤濕效果較好，能夠獲得較高的粘接強度〔2.85Nmm-1〕，粘接接頭毀壞方式為內(nèi)聚毀壞。以下為參考文獻[1]賀春江，佳，裴頂峰，等。軌道交通發(fā)展對橡膠減震制品的需求瞻望[J].中國橡膠，2018,25〔2〕：7-9.[2]馬濤，王雅薇。一種高速列車橡膠鋪地材料制造技術(shù)簡介[J].橡塑技術(shù)與裝備，2021,42〔11〕：30-32.[3]王德禧，李蘭，孟麗萍。高分子材料在高速列車上的應(yīng)用大概情況[J].塑料，1999〔1〕：7-13.[4]吳惠惠，魏培欣。軌道交通生產(chǎn)制造經(jīng)過中粘接特殊經(jīng)過確實認(rèn)[J].粘接，2021,38〔10〕：69-72.[5]?；圮姟Ａ蚧烊幌鹉z的外表處理及粘接性能的研究[D].太原：中北大學(xué)，2020.[6]牛慧軍，張佳佳，張飛，等。天然橡膠外表處理的研究進展[J].粘接，2018,32〔12〕：81-84.[7]石磊。加強硫化橡膠與金屬粘接的外表處理技術(shù)[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2021,32〔3〕：33-38.[8]李昂。橡