樂博士技術秀期 熱硫化粘合劑-底涂

樂博士技術秀是樂瑞固專門針對橡膠與金屬熱硫化粘合推出的一種知識講解和科普;其中“樂”源自樂瑞固,寓意快樂與專業,“博士”則點明該微信內容的定位—— 專業、易懂、有深度的科普知識分享 。


ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="font-size: 15px; color: rgb(51, 51, 51); line-height: 26px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds24h0t">
ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="line-height: 26px;word-break: break-word;" data-mid="">引言:

在日常生產與生活中,粘接似乎是一件再普通不過的事:膠水一涂、雙面膠一貼,就能把兩樣東西連在一起。但在工業制造、部件組裝、材料成型等更嚴苛的場景下,粘接遠沒有看起來那么簡單。

金屬與橡膠怎么牢牢粘在一起?為什么有些材料用普通膠水完全粘不住?同樣是“膠”,為什么有的需要加熱、有的需要加壓、有的還需要涂兩層?

這些問題的背后,其實是不同材料特性之間的博弈。每一種材料都有其獨特的表面能、極性、模量和化學活性,而粘接的本質,就是在這些“性格迥異”的材料之間,搭建一座穩定、可靠的“分子橋梁”。

本系列內容旨在用通俗易懂的方式,系統講解粘合技術背后的原理、方法與實踐經驗。粘合劑是怎么“工作”的?如何根據材料類型選擇合適的粘接方案?

讓粘接無痛點,是我們做這份科普的初心。從理解材料開始,一步步把粘接這件事,講清楚、講明白。

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ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="font-size: 15px; color: rgb(51, 51, 51); line-height: 26px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds261dhf">材料的分類
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一般地,按照材料本身特性分類,基本分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、合成高分子材料以及復合材料等。每種材料之間的本身特性差異明顯,因此想要獲得良好粘接,必須要選擇同時適合兩種材質的粘合劑。當兩種材料均已經成型且需要粘接時,就需要類似于結構膠或密封膠等的粘合劑。這種類似的粘合劑,在日常生活中有很多,如:補胎時工人用的快干膠,裝修工人打的硅酮密封膠,以及現在很流行的免打孔,小五金墻壁安裝膠等。當需要粘接的材料中有一種未成型,需要在材料成型過程中完成粘接,如橡膠、塑料等未成型彈性體在成型過程中與基材的粘接,這種粘接與上面又完全不一樣,需要使用到ink-id="link-1778307106274-0.29436725940055575">熱硫化粘合劑。
橡膠、塑料等彈性體屬于合成高分子材料,金屬屬于金屬材料,其它基材可能列屬無機非金屬材料,復合材料等。為了解決雙向粘接問題,熱硫化粘合劑就必須要同時兼顧兩種材料的特性。
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ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="font-size: 15px; color: rgb(51, 51, 51); line-height: 26px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds29212d">金屬 / 基材與橡膠粘接破壞示意圖
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圖2是典型的雙涂體系粘接未成型彈性體(主要是橡膠,以下用橡膠替代)與基材的破壞示意圖,從圖2可以看出采用雙涂的粘接體系,有四種材質,有3個界面,因此想要解決粘接問題,就必須要解決不同的界面問題。我們把粘合劑(底膠和面膠)看為一個整體,粘合劑與金屬/基材之間有一個粘接,粘合劑與橡膠之間有一個粘接,因此研發人員必須要充分考慮這兩個方面的因素。

ntent="t" style="width: 60.1%; margin: 0px -60.1% 0px 0px; padding: 5px 80px 2px 6.1%; flex-shrink: 0; background-position: center center; background-size: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; display: flex; align-items: center; background-image: url("https://mmecoa.qpic.cn/sz_mmecoa_png/KGEFQYjyA2klIxhJH46AFrSYqWIo8kvGIOPPJ0j9hQHEp40nYiaqe9hic682QdWpNyrMsHjqa78pwZdicbJJbEriclDcvLF6EjWjfJiaekhicNkRY/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=10015&wx_lazy=1");" data-lazy-bgimg="https://mmecoa.qpic.cn/sz_mmecoa_png/KGEFQYjyA2klIxhJH46AFrSYqWIo8kvGIOPPJ0j9hQHEp40nYiaqe9hic682QdWpNyrMsHjqa78pwZdicbJJbEriclDcvLF6EjWjfJiaekhicNkRY/640?wx_fmt=png&from=appmsg" class="" data-fail="0">
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ntent="t">01
ntent="t" yb-mpa-mark="mark-main-title" style="font-size: 18px; color: rgb(0, 82, 255); line-height: 22px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds2b1w70">底膠與金屬粘接的基本原理

除了極少數的基材(如一些未完全硫化的彈性體)有活性官能團外,大多數基材本身是活性是很低的。目前市面上熱硫化粘合劑與基材粘接的機理大多數如下圖3所示。
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ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="font-size: 15px; color: rgb(51, 51, 51); line-height: 26px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds2e10k8">雙涂體系粘接橡膠與金屬的典型示意圖
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粘合劑底涂與金屬之間的相互作用被認為是由機械和化學吸附過程共同作用的結果,即包含ink-id="link-1778307106429-0.6418695524695857">機械吸附和化學反應兩部分;當基材或基材表面處理不一樣,與底膠之間的化學反應也不一樣,如銅與鐵、ink-id="link-1778307106429-0.996486353099789">磷化處理過的鐵與沒有磷化處理過的鐵等;吸附機理對所有基材均是有效的,粘接質量在很大程度上取決于所有界面能否自由交換化學物質,因此任何表面污染都會破壞基材表面化學性質,并降低粘接強度。圖4顯示了經過噴砂處理的鋼材,表面形成的無污染、易于潤濕、具有“尖銳”不規則表面以促進機械咬合以及氧化程度可控的表面。
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ntent="t" yb-mpa-mark="mark-intro" style="font-size: 15px; color: rgb(51, 51, 51); line-height: 26px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds2g1h48">經過噴砂處理的金屬表面涂膠前的狀態
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ntent="t" style="width: 60.1%; margin: 0px -60.1% 0px 0px; padding: 5px 80px 2px 6.1%; flex-shrink: 0; background-position: center center; background-size: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; display: flex; align-items: center; background-image: url("https://mmecoa.qpic.cn/mmecoa_png/KGEFQYjyA2kyPB8icHNN6DMPJxo87pcdEx32BUuoiclDpnqopHEY7AOdxr4F6s7MYDWluBKoyQA2gX2ZR7goBGMUx3o6Tv3KibLpnEDRibnIk40/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=10015&wx_lazy=1");" data-lazy-bgimg="https://mmecoa.qpic.cn/mmecoa_png/KGEFQYjyA2kyPB8icHNN6DMPJxo87pcdEx32BUuoiclDpnqopHEY7AOdxr4F6s7MYDWluBKoyQA2gX2ZR7goBGMUx3o6Tv3KibLpnEDRibnIk40/640?wx_fmt=png&from=appmsg" class="" data-fail="0">
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ntent="t">02
ntent="t" yb-mpa-mark="mark-main-title" style="font-size: 18px; color: rgb(0, 82, 255); line-height: 22px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds2hd5m">從配方的角度改善底涂與基材的粘接

基于上面的粘接機理,我們可以從基材表面處理和粘合劑兩方面來改善與基材的粘接。
從基材方面,所有阻礙粘合劑與基材充分接觸、阻礙兩個界面自由交換化學物質的因素均是不利粘接,需要避免的,所有有助于粘合劑的化學和物理吸附的因素均是有利于粘接的。這方面具體的處理方法,我們會在隨后的知識講座中給大家詳細說明;總之從基材方面,無油、無銹、適當的表面粗糙度是我們基材表面處理的宗旨。
從粘合劑方面,研發者在研究底涂的時候,要充分考慮與各種基材的吸附和化學反應。一般地,底涂中會包含多種類似于橡膠和樹脂類的高分子,這些物質具有很強的潤濕金屬表面的能力,從而確保大的界面接觸程度,此外,這些橡膠和樹脂還能作為屏障,阻止外部腐蝕向金屬表面遷移,同時可以在粘合劑體系中形成相互貫穿的ink-id="link-1778307106429-0.9901325284469362">高分子交聯網絡,給粘合劑以強度和結構。

ntent="t" style="width: 60.1%; margin: 0px -60.1% 0px 0px; padding: 5px 80px 2px 6.1%; flex-shrink: 0; background-position: center center; background-size: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; display: flex; align-items: center; background-image: url("https://mmecoa.qpic.cn/sz_mmecoa_png/KGEFQYjyA2kURS8jMlGHgbSYGjibBSWTsISBoIMYcia7rcqYJcViceRSTjxRO0dPOwdeWIIpKcp8iadSadrPUk07ibZl7sGCnrM91RZ4CcENPzx4/640?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=10015&wx_lazy=1");" data-lazy-bgimg="https://mmecoa.qpic.cn/sz_mmecoa_png/KGEFQYjyA2kURS8jMlGHgbSYGjibBSWTsISBoIMYcia7rcqYJcViceRSTjxRO0dPOwdeWIIpKcp8iadSadrPUk07ibZl7sGCnrM91RZ4CcENPzx4/640?wx_fmt=png&from=appmsg" class="" data-fail="0">
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ntent="t">03
ntent="t" yb-mpa-mark="mark-main-title" style="font-size: 18px; color: rgb(0, 82, 255); line-height: 22px; word-break: break-word; letter-spacing: 0px;" data-mid="" data-mpa-md-action-id="mowkds2j1rra">高分子選擇的邏輯

底漆中高分子的選擇十分重要,根據“相似相容”的機理,兩種物質如果模量或性質類似時,會更容易吸附,因此底漆研究者會選擇成型后模量更高的一點的樹脂來優化與金屬的粘接;但是交聯網絡的致密性以及成膜的柔韌性需要剛性樹脂有一定的柔韌性,以滿足底涂對苛刻環境的耐受性以及對于各種基材的濕潤和化學吸附性。同樣基于“相似相容”的機理,為了與各種面涂粘合劑的適配,底涂中其它高分子的選擇會與面涂粘合劑選擇類似。
待續
下期提前預告
第二期 金屬基材表面處理
第三期計劃是非金屬基材表面處理

主筆人介紹
黃星  高級工程師
在橡膠與基材粘接用粘合劑行業深耕20余年,熟悉橡膠、聚氨酯彈性體與各種基材的粘接粘合劑、應用和失效分析等;
現任上海樂瑞固化工有限公司副總經理,主要從事橡膠與基材粘接用粘合劑、脫模用脫模劑的技術支持、應用推廣,高性能涂料和ink-id="link-1778307106430-0.5003580866606998">水性防腐涂料研發和應用推廣等。
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