于 苗， 劉大晨

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

橡膠-金屬硫化粘接復(fù)合體系已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域［1］.橡膠-金屬硫化粘接的方法可以追溯至1850年［2］，經(jīng)歷了硬質(zhì)橡膠法、黃銅或鍍黃銅法、間苯二酚甲醛體系和酚醛樹脂法等.本文采用無鍍層的鋼絲與含有滲硫劑的橡膠在直流電場作用下進(jìn)行熱硫化粘接，利用金屬與橡膠在硫化過程中產(chǎn)生的化學(xué)鍵合，生成具有特殊結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的FeS［3－6］，實(shí)現(xiàn)兩者間的優(yōu)異粘接.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及藥品

鋼絲(Φ=1.5 mm)，砂紙，乙酸乙酯，滲硫劑(KSCN與NaSCN的混合物)，以上藥品均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

RG L-30A型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，XK-160型開放式煉膠機(jī)，GT-M2000-A型橡膠硫化測定儀，XLB400×400×2E型平板硫化機(jī).

1.3 鋼絲成分

金屬的化學(xué)成分不同，其與橡膠粘接的強(qiáng)度也有所不同，實(shí)驗(yàn)所用鋼絲的元素組成如表1所示.

表1 鋼絲的元素組成Table 1 Component of wire

1.4 性能測試

粘接性能:通過測定金屬與橡膠的拉伸力反映出橡膠-鋼絲復(fù)合體的粘合力(GB/T3513－1983《橡膠與單根鋼絲粘合強(qiáng)度的測定——抽出法》).

2 結(jié)果與討論

2.1 滲硫產(chǎn)物測定

2.1.1 X射線衍射分析

圖1是經(jīng)滲硫處理后鋼絲的XRD譜圖.在圖1中，前2個峰與硫化亞鐵的特征峰相吻合，從第3個峰以后與鐵的特征峰相吻合.而且從圖1可知，圖中并沒有S的特征峰，即滲硫后的鋼絲表面生成了FeS.

圖1 滲硫鋼絲的XRD譜圖Fig.1 XRD of sulfurized wire

2.1.2 掃描電鏡分析

圖2為放大2 000倍的未處理和經(jīng)滲硫處理過的鋼絲表面的SEM圖.圖2(a)為砂紙沿鋼絲同一方向打磨(電壓為0 V，滲硫時間0 min)，有比較規(guī)律的磨痕;圖2(b)～圖2(d)為砂紙打磨后經(jīng)滲硫處理過的鋼絲(直流電壓依次為1.5 V、3.0 V、4.5 V，滲硫時間10 min)，其表面均有FeS生成.

圖2 鋼絲表面的掃描電鏡Fig.2 SEM of the wire surface

2.2 滲硫劑對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

2.2.1 滲硫劑的質(zhì)量配比對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

圖3是滲硫劑中KSCN和NaSCN的質(zhì)量配比對橡膠與鋼絲粘接性能的影響.從圖3可以看出:在滲硫劑的質(zhì)量配比為7∶3時橡膠與鋼絲的粘合力最大.因?yàn)榇藭r滲硫劑混合物的熔點(diǎn)最低，即活性最高，熱硫化過程中，在熱能的作用下滲硫劑分解出SCN－;并且在直流電場中，滲硫劑原子震動劇烈，促使?jié)B硫劑進(jìn)一步分解電離出S2－，從而有利于鋼絲-橡膠界面間元素的相互滲透和離子的反應(yīng)，促進(jìn)FeS的生成.滲硫劑的配比增大或減小均使混合物熔點(diǎn)升高，因此生成硫化亞鐵困難，橡膠與鋼絲間的粘接強(qiáng)度下降.

圖3 滲硫劑的質(zhì)量配比m(KSCN)∶m(NaSCN)對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.3 Effect of sulfurizing agent ratio m(KSCN)∶m(NaSCN) on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

2.2.2 滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響如圖4所示.從圖4可以看出:隨著滲硫劑含量的增加，橡膠與鋼絲的粘合力先增大后減小.滲硫劑含量為20份時，橡膠與鋼絲的粘合力達(dá)到最大值;10份時，其粘合力最小.當(dāng)滲硫劑含量為10份時，滲硫劑電解出的S2－較少，不能與Fe充分反應(yīng)生成FeS，甚至不能形成連續(xù)的FeS層，從而使橡膠-鋼絲間形成的化學(xué)鍵合較弱，故其粘合力較小.隨滲硫劑含量的逐漸增加，滲硫劑電解出更多的S2－與Fe2+反應(yīng)生成連續(xù)均一的FeS層，有利于進(jìn)一步提高橡膠與鋼絲的粘合力.但當(dāng)滲硫劑含量過多時(大于20份)，生成的FeS達(dá)到過飽和狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致橡膠與鋼絲的粘接性能下降，即粘合力降低.

圖4 滲硫劑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.4 Effect of sulfurized content on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

2.3 導(dǎo)電炭黑對橡膠-鋼絲粘接性能的影響

在熱硫化過程中，通過電場作用進(jìn)行橡膠與金屬的粘接試驗(yàn).一定范圍內(nèi)，橡膠與鋼絲在熱硫化過程中通過的電流越大，越有利于加速橡膠與鋼絲之間形成FeS，有利于提高兩者間的粘合力.圖5為橡膠中的導(dǎo)電炭黑對橡膠-金屬粘接性能的影響.從圖5可以看出:橡膠與鋼絲粘接的粘合力隨著導(dǎo)電炭黑含量的增加先增大后減小，且在導(dǎo)電炭黑為8份時出現(xiàn)最大值.鋼絲與橡膠的粘合力先隨導(dǎo)電炭黑含量的增加而增加，這是由于橡膠體系中導(dǎo)電炭黑粒子間的距離縮小，而且由導(dǎo)電炭黑粒子排列形成的炭鏈數(shù)目也將增加，因此在熱硫化過程中橡膠的導(dǎo)電性就越好，在直流電場作用下橡膠-鋼絲界面間通過的電流就越大，從而加速橡膠中滲硫劑的反應(yīng)速度，促使S2－與Fe2+反應(yīng)生成FeS.導(dǎo)電炭黑過多時，橡膠-金屬閉合回路容易產(chǎn)生短路，滲硫劑在無電流作用時不能產(chǎn)生S2－，即不能生成FeS，使鋼絲與橡膠的粘合力降低.此外，導(dǎo)電炭黑在橡膠中的分散情況也會極大地影響橡膠的導(dǎo)電性，分散性越好，橡膠和鋼絲粘合力就越大.

圖5 導(dǎo)電炭黑含量對橡膠-鋼絲粘接性能的影響(3.0 V)Fig.5 Effect of conductive carbon black content on adhesion of rubber-metal(3.0 V)

另外，對比圖4、圖5結(jié)果，導(dǎo)電炭黑的加入并沒有明顯改善橡膠-金屬的粘合性能，對導(dǎo)電炭黑的作用還有待于在今后的研究中進(jìn)一步加以分析.

3 結(jié)論

(1)滲硫劑配比m(KSCN)∶m(NaSCN)在7∶3時混合物的熔點(diǎn)最低，即活性最高，橡膠-金屬間的粘接強(qiáng)度達(dá)到最大值.

(2)橡膠-金屬粘合力隨著滲硫劑含量的增加先增大后減小，在20份時橡膠與金屬的粘合力最大.

(3)為增強(qiáng)橡膠的導(dǎo)電性能，在橡膠中加入適量的導(dǎo)電炭黑，從而可以提高橡膠與金屬的粘合力，導(dǎo)電炭黑用量為8份時，橡膠-金屬間的粘接強(qiáng)度達(dá)到最大值.

(4)電場作用對提高橡膠-金屬粘接有積極作用，但工業(yè)上是否便于實(shí)施有待于在今后的研究中加以研究.

［1］ 馬興法，王仲平，宋風(fēng)華.金屬-橡膠硫化粘接研究進(jìn)展［J］.功能高分子學(xué)報(bào)，2000，13(1):103.

［2］ Roman Milczarek.Rubber-to-metal Bonding Agents［J］.Rubber World，1996，213(6):26－31.

［3］ Jing J Z，Lin R，Morup S，et al.Mechanochemical Synthesis of Fe-S Materials［J］.Journal of Solid State Chemistry，1998，138(1):114－125.

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［5］ 王海斗，徐濱士，劉家浚，等.基體狀態(tài)對FeS層固體潤滑性能的影響［J］.潤滑與密封，2005(1):34－36.

［6］ 梁娜，陳敬超.FeS材料的制備、性能與應(yīng)用［J］.潤滑與密封，2006(10):178－180.