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.
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.
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).
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
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》).
2.1.1 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
2.2.1 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)
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.
(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.
[4] Chin PP Ding J,Yi J B,Lin B H.Synthesis of FeS2and FeS Nanopartieles by High-energy Mechanical Milling and Mechanechemical Processing[J].Journal of Alloys and Compound,2005,390:255-260.
[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.