PE／UPR玻璃鋼界面粘接研究
隨著水處理行業急劇發展，環保型玻璃鋼／聚乙烯復合結構水處理容器用途日益廣泛，水處理容器采用聚乙烯（PE）作為內膽，殼體采用玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂（UPR）濕法經縱、環向纏繞殼體厚度約1－3mm。復合結構水處理容器結構形狀見示圖1。聚乙烯塑料因卓越的耐化學腐蝕性、良好耐沖擊性能、成本低廉及成型加工簡便是作為水處理容器內膽的選材料。不飽和聚酯樹脂具有較優良力學性能、耐化學腐蝕性能，且價格低，加工工藝簡單，常溫常壓下固化成型無副產物，粘度較低等特點，適合水容器纖維纏繞成型，它能充分發揮樹脂基體中連續纖維的高強特性。纖維纏繞結構的方向強度比可根據結構要求進行設計。通過嚴格控制線型纖維方向，使得全部主應力均由受拉纖維承擔，在結構的任何方向上，載荷要求的強度都能與材料提供的實際強度相適應，從而獲得復合結構型高強度內壓力容器，滿足設計屆用要求。
聚乙烯作為水容器內膽使用時，不可避免地涉及到PE塑料同纏繞層之間的粘接問題，PE屬于難粘材料，表面呈惰性，目前極少有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。UPR因固化后收縮率很大，粘接性差，無法作為PE膠粘劑使用，因此纏繞復合材料殼體很快與PE內膽脫粘、分離，導致復合結構水容器受力時內膽和殼體無法協同受力。相互間界面分離對其使用性能影響很大。
國外水處理容器內膽常采用ABS、PE材料，殼體采用環氧樹脂極璃纖維纏繞而成，由于其內膽上涂有一種專用膠粘劑，又因ABS和環氧樹脂粘接性能很好，所以國外水必理容器對此脫粘問題解決得很好。
內膽與纏繞層之間良好粘接既能提高復合結構的韌性和耐沖擊性能，又能保證剛性和強度。還有利于提高水容器外觀質量、使用壽命及纏繞層力學性能發揮有很重要意義。據了解目前國內水處理容器廠家至今均沒有解決此脫粘難題。
2 脫粘原因分析
經分析將水處理容器內膽／纏繞層脫粘要主原因歸納為以下三點：
2．1聚乙烯塑料自身的難粘性
聚乙烯塑料后于難粘材料，主要是由以下原因造成的：a．表面能低，臨界表面張力只有（31－34）× 10－5N／cm，因而其水接觸角大，印墨、膠粘劑不能充分潤濕PE基材。b．聚乙烯是非極性高分子材料，分子上沒有任何極性基因，結構對稱性好，膠粘劑吸附在其表面，只能形成較弱的色散力。C．聚乙烯結晶度高，化學穩定性好，溶脹和溶解比非結晶高分子困難，當溶劑性膠粘劑涂在其表面，很難發生高聚物分子鏈成鏈或相互擴散、纏結。d．聚乙烯表面存在弱邊界層，弱邊界層的存在造成材料表面粘接性差。綜上所述，聚乙烯粘接性能極差，且目前市面很少發現有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。
2．2不飽和聚酯樹脂粘接性差
UPR因固經后收縮率很大，故粘接性很差，通常很少作為膠粘劑使用，所以根本無法粘接PE材料。
2．3兩者性能差別及外界影響
PE內膽是熱塑性材料，韌性好，易變形，但剛性低。UPR玻璃鋼是熱固性材料，韌性差，變形量小，剛性大。二者熱膨脹系數相差很大，所以適合粘接二者的膠粘劑必須要能夠經受住由于較大范圍溫度變化引起的熱膨脹不均一而造成的粘接界面脫離。此外水處理容器常年受到變化的內壓作用，內壓變化很快，迫使內膽和纏繞層時刻受到變化的內壓作用而發生相應形變，因二者變形能力相差很大，所以易造成粘接界面脫粘。
以上分析也就是為什么目前國內水容器廠家沒有解決內膽/纏繞層脫粘難題的原因。
3 解決方案
針對聚乙烯表面分子極性低、粘接特點，進行粘接時，人們經常對聚乙烯采取了多種表面改性方法：通過化學、氣體熱氧化、火焰處理、電暈、低溫等離子技術動化學、表面改性劑等方法進行表面處理以在其表面分子鏈中引入極性基團從而提高粘接性能。常規的處理方法雖然很多，但幾乎沒有一項適用于水容器內膽處理。要么設備成本太高，要么周期過長根本不適合水容器生產需求。鑒于實際生產和成本情況，本文擬選用一種化學表面處理液，先能夠破壞PE，然后使UPR粘接此膠粘劑。
3．1膠粘劉選擇
由于聚乙烯是非極性材料，韌性好，剛性差，所以應選擇像丙烯酸酯膠、改性橡膠、塑料膠等弱極性膠粘劑，或用能溶解被粘物的溶劑，如三氯甲烷、二氯乙烷等。由于內膽與纏繞層經常受到剝離力、不均勻扯離力、剪切力作用，故要求膠粘劑必須具有一定韌性才能緩沖兩種被粘物由于可挽曲性和熱膨脹性差異在膠層界面產生的內應力。此外，粘接時應遵循應力小原則。由于PE和UPR玻璃鋼彈性模量不同，受力時應變也不同，要滿足應力小原則，必須使膠粘劑的彈性模量和應變分完偽PE和UPR玻璃鋼各自彈性模量和應變之和的平均值。為此，前后選擇了大約6種適合聚乙烯粘接的膠粘劑?？紤]到價格、粘接強度及長期抗疲勞破壞能力、粘度、是否影響UPR固化、固化快慢、毒性大小等影響因素，優先選擇了浙江金鵬化工公司的SG－P－10底涂處理劑和改性?一氰基丙烯酸酯類快平型膠粘劑。
3．2PE與UPR?？阡撜辰訖C理
聚乙烯塑料屬于難粘材料，聚乙烯含有低強度的含氧雜質或低分子物質，在其粘接界面存在著使粘接強度降低的弱邊界層。此外，絕大多數膠粘劑的表面張力大于聚乙烯，使得膠粘劑無法潤濕聚乙烯表面，不能使兩材料界面形成分子接觸，產生界面分子間作用力，所以粘接界面承受的破壞應力很少。SG-P-10底涂處理聚乙烯表面后，破壞了致密的惰性表面，在其表面形成很多活性點，消除了弱邊界層。使得改性?一氰基丙烯酸酯易于潤濕聚乙烯表面，兩者形成面接觸，產生分子間作用力。所以SG-P-10底涂處理劑配用改性?一氰基丙烯酸酯類膠粘性，使膠粘劑單體促進劑與聚合物產生滲透、互穿、交聯作用，形成與被粘物分子鏈的纏結，獲得高粘接力。粘接拉伸剪切強度達8．OMPa以上，幾乎達到PE材料的破壞強度。待?一氰基丙烯酸酯固化后，在PE內膽上濕法纏繞浸透UPR膠的玻璃纖維。UPR膠含量約25％左右，UPR在a-氰基丙烯酸酯表面固化、粘接，固化壓力由纏繞張力（約 10 Kgf）施加。因玻璃纖維含量高，所以UPR收縮率很低，UPR極容易粘牢?-氰基丙烯酸酯。此外?-氰基丙烯酯對UPR固化無任何影響，因此二者界面粘接強度很高，結果在低模量的聚乙烯與高模量的玻璃鋼之間，膠粘劑過渡層形成了模量梯度，減少了復合結構受力時的應力集中，使得PE／UPR玻璃鋼復合結構型水處理容器獲得良好的力學性能。
4 粘接工藝實驗與結果
4．l 粘接工藝過程
聚乙烯具有密實的非極性情性表面，如未對其表面進行處理，膠粘劑對之不產生機械或化學粘接力，所以必須進行表面處理。先用自來水清洗內膽。再用清潔棉紗擦干凈聚乙烯內膽外表面所附著的灰塵、油污、脫模劑及其它吸附化學污染物，后用丙酮進一步清潔表面，等西酮揮發完后待用。將SG－P－10底涂處理劑均勻涂于清潔過的內膽上，10－15分鐘后，均勻涂敷改性?一氰基丙烯酸酯，涼置25分鐘，待溶劑揮發，膠粘劑固化后，將內膽置于纏繞機上，進行UPR/璃纖維濕法纏繞，完畢，靜置6－10小時，凝膠、固化后，轉入固化爐進一步團化。
4．2 粘接結果
參照水處理容器實際使用情況進行模擬試驗，以此來評價粘接效果。
4．2．l熱應力試驗
聚乙烯塑料與UPR玻璃鋼熱膨脹系數相差很大，受熱膨脹或收縮時，因膨脹系數差異大很容易發生粘接界面脫離。將固化好的水處理容器連續10天反復在室溫至60℃溫度范圍進行實驗，結果沒發現脫粘。隨后放置在80℃烘房中烘烤10小時，然后驟冷，第二天發現少許脫粘現象，但脫粘部分不連續，證明此膠粘劑能夠牢固粘住PE和UPR玻璃鋼，并且能夠經受住熱應力作用。
4．2．2內壓疲勞試驗
將團化好的水處理容器在0－0．6MPa循環壓力下做疲勞受力實驗，考驗內膽與纏繞層受力時因變形能力不同而抗界面脫層分離能力。試驗表明經歷3萬多次未發現界面層脫粘現象。表明該膠粘劑能夠充分緩沖兩個不同材料界面差異而造成的內應力，適合水處理容器內膽與纏繞層之間粘接使用。
5 結論
本文將選用的SG一P－10底涂處理劑及改性?一氰基丙烯酸酯膠粘劑成功地用于水處理容器PE內膽和UPR玻璃鋼纏繞層之間的粘接，試驗證明二者之間粘接牢固，能夠經受住熱應力和內壓力疲勞而不脫粘。該膠粘度低，施工工藝簡單。此外，內膽與纏繞層之間的良好粘接既提高了復合結構水處理容器的韌性和耐沖擊性能，又保證了剛性和強度，成功地解決了復合結構水處理容器內膽和殼體協同受力問題。對于提高水容器外觀質量、使用壽命及纏繞層力學性能發揮有很重要意義。
聚乙烯作為水容器內膽使用時，不可避免地涉及到PE塑料同纏繞層之間的粘接問題，PE屬于難粘材料，表面呈惰性，目前極少有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。UPR因固化后收縮率很大，粘接性差，無法作為PE膠粘劑使用，因此纏繞復合材料殼體很快與PE內膽脫粘、分離，導致復合結構水容器受力時內膽和殼體無法協同受力。相互間界面分離對其使用性能影響很大。
國外水處理容器內膽常采用ABS、PE材料，殼體采用環氧樹脂極璃纖維纏繞而成，由于其內膽上涂有一種專用膠粘劑，又因ABS和環氧樹脂粘接性能很好，所以國外水必理容器對此脫粘問題解決得很好。
內膽與纏繞層之間良好粘接既能提高復合結構的韌性和耐沖擊性能，又能保證剛性和強度。還有利于提高水容器外觀質量、使用壽命及纏繞層力學性能發揮有很重要意義。據了解目前國內水處理容器廠家至今均沒有解決此脫粘難題。
2 脫粘原因分析
經分析將水處理容器內膽／纏繞層脫粘要主原因歸納為以下三點：
2．1聚乙烯塑料自身的難粘性
聚乙烯塑料后于難粘材料，主要是由以下原因造成的：a．表面能低，臨界表面張力只有（31－34）× 10－5N／cm，因而其水接觸角大，印墨、膠粘劑不能充分潤濕PE基材。b．聚乙烯是非極性高分子材料，分子上沒有任何極性基因，結構對稱性好，膠粘劑吸附在其表面，只能形成較弱的色散力。C．聚乙烯結晶度高，化學穩定性好，溶脹和溶解比非結晶高分子困難，當溶劑性膠粘劑涂在其表面，很難發生高聚物分子鏈成鏈或相互擴散、纏結。d．聚乙烯表面存在弱邊界層，弱邊界層的存在造成材料表面粘接性差。綜上所述，聚乙烯粘接性能極差，且目前市面很少發現有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。
2．2不飽和聚酯樹脂粘接性差
UPR因固經后收縮率很大，故粘接性很差，通常很少作為膠粘劑使用，所以根本無法粘接PE材料。
2．3兩者性能差別及外界影響
PE內膽是熱塑性材料，韌性好，易變形，但剛性低。UPR玻璃鋼是熱固性材料，韌性差，變形量小，剛性大。二者熱膨脹系數相差很大，所以適合粘接二者的膠粘劑必須要能夠經受住由于較大范圍溫度變化引起的熱膨脹不均一而造成的粘接界面脫離。此外水處理容器常年受到變化的內壓作用，內壓變化很快，迫使內膽和纏繞層時刻受到變化的內壓作用而發生相應形變，因二者變形能力相差很大，所以易造成粘接界面脫粘。
以上分析也就是為什么目前國內水容器廠家沒有解決內膽/纏繞層脫粘難題的原因。
3 解決方案
針對聚乙烯表面分子極性低、粘接特點，進行粘接時，人們經常對聚乙烯采取了多種表面改性方法：通過化學、氣體熱氧化、火焰處理、電暈、低溫等離子技術動化學、表面改性劑等方法進行表面處理以在其表面分子鏈中引入極性基團從而提高粘接性能。常規的處理方法雖然很多，但幾乎沒有一項適用于水容器內膽處理。要么設備成本太高，要么周期過長根本不適合水容器生產需求。鑒于實際生產和成本情況，本文擬選用一種化學表面處理液，先能夠破壞PE，然后使UPR粘接此膠粘劑。
3．1膠粘劉選擇
由于聚乙烯是非極性材料，韌性好，剛性差，所以應選擇像丙烯酸酯膠、改性橡膠、塑料膠等弱極性膠粘劑，或用能溶解被粘物的溶劑，如三氯甲烷、二氯乙烷等。由于內膽與纏繞層經常受到剝離力、不均勻扯離力、剪切力作用，故要求膠粘劑必須具有一定韌性才能緩沖兩種被粘物由于可挽曲性和熱膨脹性差異在膠層界面產生的內應力。此外，粘接時應遵循應力小原則。由于PE和UPR玻璃鋼彈性模量不同，受力時應變也不同，要滿足應力小原則，必須使膠粘劑的彈性模量和應變分完偽PE和UPR玻璃鋼各自彈性模量和應變之和的平均值。為此，前后選擇了大約6種適合聚乙烯粘接的膠粘劑?？紤]到價格、粘接強度及長期抗疲勞破壞能力、粘度、是否影響UPR固化、固化快慢、毒性大小等影響因素，優先選擇了浙江金鵬化工公司的SG－P－10底涂處理劑和改性?一氰基丙烯酸酯類快平型膠粘劑。
3．2PE與UPR?？阡撜辰訖C理
聚乙烯塑料屬于難粘材料，聚乙烯含有低強度的含氧雜質或低分子物質，在其粘接界面存在著使粘接強度降低的弱邊界層。此外，絕大多數膠粘劑的表面張力大于聚乙烯，使得膠粘劑無法潤濕聚乙烯表面，不能使兩材料界面形成分子接觸，產生界面分子間作用力，所以粘接界面承受的破壞應力很少。SG-P-10底涂處理聚乙烯表面后，破壞了致密的惰性表面，在其表面形成很多活性點，消除了弱邊界層。使得改性?一氰基丙烯酸酯易于潤濕聚乙烯表面，兩者形成面接觸，產生分子間作用力。所以SG-P-10底涂處理劑配用改性?一氰基丙烯酸酯類膠粘性，使膠粘劑單體促進劑與聚合物產生滲透、互穿、交聯作用，形成與被粘物分子鏈的纏結，獲得高粘接力。粘接拉伸剪切強度達8．OMPa以上，幾乎達到PE材料的破壞強度。待?一氰基丙烯酸酯固化后，在PE內膽上濕法纏繞浸透UPR膠的玻璃纖維。UPR膠含量約25％左右，UPR在a-氰基丙烯酸酯表面固化、粘接，固化壓力由纏繞張力（約 10 Kgf）施加。因玻璃纖維含量高，所以UPR收縮率很低，UPR極容易粘牢?-氰基丙烯酸酯。此外?-氰基丙烯酯對UPR固化無任何影響，因此二者界面粘接強度很高，結果在低模量的聚乙烯與高模量的玻璃鋼之間，膠粘劑過渡層形成了模量梯度，減少了復合結構受力時的應力集中，使得PE／UPR玻璃鋼復合結構型水處理容器獲得良好的力學性能。
4 粘接工藝實驗與結果
4．l 粘接工藝過程
聚乙烯具有密實的非極性情性表面，如未對其表面進行處理，膠粘劑對之不產生機械或化學粘接力，所以必須進行表面處理。先用自來水清洗內膽。再用清潔棉紗擦干凈聚乙烯內膽外表面所附著的灰塵、油污、脫模劑及其它吸附化學污染物，后用丙酮進一步清潔表面，等西酮揮發完后待用。將SG－P－10底涂處理劑均勻涂于清潔過的內膽上，10－15分鐘后，均勻涂敷改性?一氰基丙烯酸酯，涼置25分鐘，待溶劑揮發，膠粘劑固化后，將內膽置于纏繞機上，進行UPR/璃纖維濕法纏繞，完畢，靜置6－10小時，凝膠、固化后，轉入固化爐進一步團化。
4．2 粘接結果
參照水處理容器實際使用情況進行模擬試驗，以此來評價粘接效果。
4．2．l熱應力試驗
聚乙烯塑料與UPR玻璃鋼熱膨脹系數相差很大，受熱膨脹或收縮時，因膨脹系數差異大很容易發生粘接界面脫離。將固化好的水處理容器連續10天反復在室溫至60℃溫度范圍進行實驗，結果沒發現脫粘。隨后放置在80℃烘房中烘烤10小時，然后驟冷，第二天發現少許脫粘現象，但脫粘部分不連續，證明此膠粘劑能夠牢固粘住PE和UPR玻璃鋼，并且能夠經受住熱應力作用。
4．2．2內壓疲勞試驗
將團化好的水處理容器在0－0．6MPa循環壓力下做疲勞受力實驗，考驗內膽與纏繞層受力時因變形能力不同而抗界面脫層分離能力。試驗表明經歷3萬多次未發現界面層脫粘現象。表明該膠粘劑能夠充分緩沖兩個不同材料界面差異而造成的內應力，適合水處理容器內膽與纏繞層之間粘接使用。
5 結論
本文將選用的SG一P－10底涂處理劑及改性?一氰基丙烯酸酯膠粘劑成功地用于水處理容器PE內膽和UPR玻璃鋼纏繞層之間的粘接，試驗證明二者之間粘接牢固，能夠經受住熱應力和內壓力疲勞而不脫粘。該膠粘度低，施工工藝簡單。此外，內膽與纏繞層之間的良好粘接既提高了復合結構水處理容器的韌性和耐沖擊性能，又保證了剛性和強度，成功地解決了復合結構水處理容器內膽和殼體協同受力問題。對于提高水容器外觀質量、使用壽命及纏繞層力學性能發揮有很重要意義。
