氟橡胶与金属的硫化粘合

Viton®氟橡胶与金属的硫化粘合肖风亮广州机械科学研究院密封研究所（510700，广东，广州）摘要：讨论了Viton氟橡胶与金属的粘合，阐述了配方设计、粘合剂选择、骨架处理工艺方法、二段硫化、模腔压力等因素对粘合剂质量的影响。分析了含一氧化铅难粘胶料的粘结方法关键词：氟橡胶，金属，粘合如果将金属表面作适当的处理并使用合适的粘合剂，就可实现氟橡胶与金属在模压硫化时获得良好的粘合效果。对预混型氟弹性体（VitonE-60C,E-430,B-910）来说，要获得与金属良好的粘合效果，需要专门的配合才行。下面就结合生产实际来阐述配合技术对粘合的影响。以前专用于预混胶的硫化系统，现在可以用在所有的Viton®氟橡胶硫化系统中。本文考察了硫化剂20＃与硫化剂30＃在Viton®A和A-HV中所产生的影响。金属的处理、粘合剂的选择、二次硫化条件均是影响良好粘合效果的重要的因素，本文也将分别给予详细的阐述。在改善粘合性能方面，尤其针对难粘合应用方面，文中提供了一些技术数据。这些应用包括低硬度或高硬度胶料、含有一氧化铅的胶料以及硫化过程中模腔压力较低时的情况。1配方的影响1.1氧化镁/氢氧化钙酸吸收系统含硫化剂的氟橡胶通常与高活性氧化镁（一般为3份）和氢氧化钙（3~6份）配合即可获得良好的贮存、加工与硫化性能。然而采用这些酸吸收系统对于标准的粘合剂（例如Chemlok607或Chemosil511）来说，其粘合质量往往不均匀或者不理想，粘结状况取决于制品结构和生胶的选择。采用高用量低活性氧化镁（15~17份）和低用量氢氧化钙（2份）能使绝大多数预混胶模压粘合性能获得改善。以VitonE-60C、VitonE-430和VitonB-910为例，粘合性能的改善如表1所示。表1低活氧化镁为酸性吸收剂的预混胶的粘合性能配方代号1A1B1C1D1EViton®E-60C100100---Viton®E-430--100--Viton®B-910---10070Viton®A-HV----30低活性氧化镁-15151515高活性氧化镁3----氢氧化钙62222MT炭黑3030303030棕榈蜡11111门尼焦烧，MS121℃最小值3840307174上升5个单位，min45min内上升745min内上升245min内上升41816上升10个单位时间，min3521硫化胶的性能，模压硫化条件175℃×8min，二段硫化条件230℃×24h100%定伸强度/MPa6.06.95.311.08.4拉伸强度/MPa14.115.716.018.318.8扯断伸长率/%180180210160190压缩永久变形，ASTM方法B，25.4×3.5O形圈200℃×70h2224303434粘合等级①模压轴封密封件175℃×8min硫化后跟部2②3331顶部23333唇基23333200℃×24h二段硫化后,升温速度是25℃/h跟部23330-1顶部23333唇基23333胶条与钢片粘结175℃×10min模压后04444200℃×24h二段后，20℃/h升温速度04444①从金属上剥离胶料的主观等级，分别评价跟部、顶部和密封件唇基。4----橡胶撕裂100%3----橡胶撕裂＞90%2----橡胶撕裂≧75%1----橡胶撕裂25%~50%0----橡胶撕裂＜25%②Viton®E-60C采用标准的酸吸收系统的配方1A在轴密封件中表现出良好的结合，但在实际生产中，模压条件不适宜时并不常常是这样。这个试验结果表明通过硫化系统和粘合剂与粘合剂的合理搭配可获得良好的粘合效果。低活性氧化镁和低用量的氢氧化钙组合对胶料加工性能的影响不大。门尼焦烧时间也与标准配合的胶料相似，尽管在流变仪测试中扭矩的增长速率较慢，但制品适宜模压硫化时间仍与标准用量的高活性氧化镁和氢氧化钙的配方相似。含低活性氧化镁的硫化胶表现出较高的拉伸强度，但在高温下压缩永久形变性通常会削弱5～10%。在多数的粘结制品中，这一方面的要求并不十分苛刻。1.2一氧化铅酸吸收系统采用一氧化铅作为吸酸剂的胶料比采用氧化镁的胶料要难粘得多。这种胶料的粘合质量对硫化压力和粘结材质比较敏感。仅仅使用一些通用的粘合剂，其结果是不能令人满意的。可以使用一种专门配合的粘合剂来解决这个问题。研究表明，填加少量的（约4份）氧化钙或无水硫酸锰，可大大改善含一氧化铅的胶料与金属的粘合能力，而仅稍微削弱了它的耐水性能。氧化钙过多会引起硫化胶在蒸汽和酸类介质中的溶胀过大，因此当替代一个全部是氧化铅的胶料配方时，应当仔细的考虑一氧化铅/氧化钙填充的胶料是否适合该产品工况。1.3生胶的选择通过混炼配合，目前的任何一种Viton®氟弹性体都可以选用原来预混胶的专用硫化系统。这给聚合物/硫化剂系统的并用提供了广阔的范围，同时具有在VitonE-60C、E-430和B-910中表现出硫化速度快和焦烧安全性优良的特点。在Viton®A和A-HV中添加含硫化剂的母胶后，与Viton®E-60C相比，表现出更优的粘合性能，但是Viton®A耐压缩永久变形性能略差一些。这种配合技术在使用氧化镁/氢氧化钙为吸酸剂的胶料中非常有效，但在全部使用一氧化铅为吸酸剂的系统中却无效。1.4硫化剂与促进剂的比例硫化剂母炼胶(Curative30)和促进剂母炼胶(Curative20)用量可由配料员任意变更。研究发现，在促进剂/硫化剂比例较高时，它能够改善Viton®氟橡胶在使用Chemlok®607或Chemosit511时的粘合性能，但会稍微降低压缩永久变形性能。图1A到1F给出了硫化剂母炼胶对Viton®A和A-HV硫化胶性能的影响。图1：硫化剂母胶的用量对Viton®A和A-HV硫化胶性能的影响测试配方：生胶100，MT炭黑30，高活性氧化镁3，氢氧化钙6，硫化剂如图所示。一般推荐使用高用量的促进剂(Curative20)和低用量的交联剂(Curative30)，不会过度的降低加工的安全性、压缩永久变形和其它物理性能。尽管该技术已经在广泛应用，但它仍然存有不足。在绝大多数使用中等到较高用量的填料和高活性氧化镁/氢氧化钙的胶料中是比较有效的；而当填料用量较低或一氧化铅为吸酸剂的胶料中却不是很有效的；当模腔压力特别低时也是无效的。这种硫化系统仅在Chemlok607/Chemosil511作为粘合剂时有效，当选用粘合剂为ThixonXAN-273/66时则没必要选用这种硫化系统。1.5填料含有MT碳黑的胶料和含有相等体积份数的矿物填料(例如Wollastonite®P-4和硫酸钡)两者之间在粘合方面没有显著的区别(见表2)。填料用量较高或较低(高于40份或低于15份MT碳黑或等体积的填充)时，在生产某些制品时可能会表现出与金属粘合较为困难。在此情况下，若使用一种Viton®预涂层（PLV-2000）或者ThixonXAN-273/66，均能有效的改善粘合性能。表2：填料对粘合效果的影响配方编号2A2BVitonB-9107080VitonB3020低活性氧化镁1517MT炭黑30-Wollastonite®P-4-25硫酸钡-25氧化铁红-5氢氧化钙22棕榈蜡11粘合等级双唇轴封175℃×8min模压硫化后顶部33底部11唇基33200℃×24h二段硫化后，25℃/h升温速度顶部33底部11唇基33注释：粘合等级参阅表1，粘合剂是Chemosil511/无水乙醇=50：50.1.6加工助剂推荐使用于Viton®氟弹性体的加工助剂(VPA-1，VPA-2，巴西棕榈蜡，季戊四醇，硬脂酸酯PET和低分子量聚乙烯)，当用量不超过典型用量(不超过2份)时，通常不会影响到与金属的粘合性能。在纯胶制品中，有时候使用酯类增塑剂作为加工助剂或调节收缩率，在与金属粘合的胶料中应避免使用，因为在硫化过程中，它们可能会渗出到胶料表面而使粘合更加困难。2金属的处理2.1脱脂金属材料必须脱脂，建议采用适当的溶剂-蒸汽脱脂。当用喷砂进行表面处理时，处理后骨架应进行再次的脱脂。2.2表面处理机械处理与化学处理都可达到满意的效果。通常优选机械法，因为它适用于多种金属材质中，如钢、不锈钢、铅和铝。喷砂磨料优选氧化铝，不宜选用铁或钢的磨料，因为它们可能会引起腐蚀，磨料的尺寸应为40～60目。使用较粗糙的磨料可能会导致金属表面不完全被粘合剂湿润，并且使粘合剂的涂层厚度不均匀。太细的磨料也会在金属表面留下磨碎的氧化铝粉末，它在随后的脱脂中很难除掉。化学法通常是为满足专门的材质而选用的，可参阅粘合剂供货商或特种金属的供应商的推荐意见。2.3金属表面的磷化处理试验表明，改善含一氧化铅的胶料的粘合性能，可用如下方法：将喷砂和脱脂过的冷轧钢在5%的磷酸(H3PO4)中浸泡5-10分钟，水洗后在260℃空气烘箱中加热15-30分钟，然而涂粘合剂。在烘箱烘烤的过程中很可能形成褐色到淡兰色紧密的粘结氧化物层。这种钝化的表面与很多粘合剂都很容易粘合，然而，如果表面锈蚀仍会引起的粘合失效，这是含一氧化铅胶料过早的发生粘结破坏的一个主要原因。3粘合剂3.1类型粘结Viton®胶料与金属最佳的粘合剂是有机硅烷合成物。优选的材料有Chemlok®607或Chemosil511以及ThixonXAV-273/66。Chemlok®607和Chemosil511被看作是同一种材料，它们唯一的不同点是溶剂的差异。Chemlok®607用的是甲醇；Chemosil511用的是乙醇。它们都是洁净型的单组份粘合剂。ThixonXAV-273/66是双组分的粘合剂，当混合以后，它的储存期根据贮存环境的不同约为2~7天。由于操作方面有所不同，下面将分述这两种粘合剂的使用。总地来说，Chemlok/Chemosil粘合剂使用方便，贮存期长，产品外观漂亮。Thixon粘合剂使用前要将两组分进行预混，贮存期短，硫化过程中容易被胶料带走，除非经过150℃×10min的干燥，由于它有颜色，所以制品的外观也不好。通过粘合剂的稀释，可以有效的改善制品的外观。然而Thixon粘合剂对配方的适应性以及耐热性能均优于Chemlok/Chemosil粘合剂。如果不采用特殊的金属处理工艺或者特殊的粘合剂配方，这两类粘合剂都不能粘结使用氧化铅作为吸酸剂的胶料。3.2浓度3.2.1Chemlok607/Chemosil511实践证明Chemlok607或者Chemosil511以50/50的比例分别与甲醇或者乙醇稀释后，浸涂粘接的效果最好。然而不过在这个浓度下粘结效果不好，可以尝试其他浓度，范围阔度从完全不稀释到稀释10倍之间。3.2.2ThixonXAV-273/66在双组分混合后，这种粘合剂可以直接使用或者稀释使用。为了消除粘合剂的擦拭状况，涂覆后骨架要进行150℃×10min中的预干燥。对粘合剂进行稀释，可以缓解擦拭状况，一般不再需要预干燥，但是在实验室的试验证明，50/50比例用MEK开稀后会影响到粘合强度。3.3粘合剂的耐老化性能3.3.1Chemlok607/Chemosil511硅烷类粘合剂对水比较敏感。空气中的水以及乙醇中含有的痕量水都会影响到粘合剂的活性。为了避免这一点，在粘合剂不使用的时候要注意拧紧封口盖子；在乙醇加入前先使用无水的硅土凝胶来干燥；控制粘合剂的库存量以及控制生产区的已稀释粘合剂的存量。作为一般的规则为，稀释的粘合剂时间超过一周则必须丢掉。当涂有粘合剂的骨架在空气中停放24h后，粘合剂的活性性能也有所下降。因此，必须做好涂胶和硫化之间的生产计划。在硫化成型车间，涂有粘合剂的骨架要封存起来，因为空气中脱模剂会污染骨架，这通常是造成粘合失效的一个重要原因。3.3.2ThixonXAV-273/66由于是双组分，这种材料的贮存期就不容易确定。当双组分混合后，这种粘合系统的有效期一般在2-6天之间，取决与贮存的温度和湿度。骨架涂覆24h后粘合剂的活性就开始明显的下降。粘合剂的寿命周期以及涂胶骨架的停放时间可根据具体的实验室的测试结果或者实际的生产经验来确定。3.4弹性体粘合剂和胶接层在非常难粘的情况下，当通过前文所属的配方调整也不能使C