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背景-橡胶-金属连接
经过工程设计的橡胶到金属器件为汽车、工业和航空航天应用提供了关键性能属性。这些关键部件依赖于橡胶和基材(通常是金属)之间形成的可靠粘结，以便成功地在服务中使用。历史上，人们采用了几种方法来实现可靠的橡胶-金属键合。最初的努力使用硬质橡胶、黄铜电镀、多层领带涂层和多异氰酸酯作为粘结手段;然而，这些方法都有各自的缺点。
1956年，当LORD公司将Chemlok®205/220系统商业化时，橡胶-金属键合取得了重大进展。188金宝搏网站登录该底漆/胶粘剂体系可与各种弹性体结合，同时大幅提高使用性能。从那时起，橡胶-金属胶粘剂系统已经取得了许多进步，以满足他们所服务的市场不断变化的要求。
今天，橡胶对金属粘合剂在商业上有各种各样的形式，以满足最终用户的需求。单组分和双组分系统都可以使用，它们可分为以下类别:溶剂型、低有害空气污染物(haps)、环保首选和水性(水基)。材料工程师必须仔细考虑为其应用选择合适的粘合剂系统的重要性，因为这些粘合剂必须能够承受潜在的恶劣暴露环境。本页将讨论橡胶与金属结合所涉及的粘附科学，并提供一些实现坚固橡胶与金属结合的一般考虑因素。
Rubber-to-Metal附着力
历史上，橡胶工业中采用了几种粘结方法，以实现可靠和耐用的橡胶与金属粘结。现代胶粘剂技术利用单层和双层胶粘剂配方，其偏好取决于粘接组件的服务需求。例如，两层涂层系统将优先用于涉及暴露于恶劣环境条件的应用，例如汽车应用。为了本文的目的，两层体系将是重点。
两层胶粘剂系统由底漆层和胶粘剂面漆组成。底漆提供了一种获得对金属基材的坚固附着力的方法，同时提供了与粘合剂面漆的必要反应性。底漆还提供耐热和耐腐蚀性能，适用于涉及恶劣环境服务条件的应用。典型的底漆由成膜聚合物、交联树脂、填料和溶剂或水性载体系统组成。
图1 -橡胶-金属粘合组件
在干燥的底漆上涂一层胶粘面漆。面漆提供了一种与弹性体骨架中的不饱和反应的手段，通常是在成型过程中。面漆还必须与底漆层发生反应，使胶粘剂与底漆间的胶粘剂能够实现。典型的胶粘剂面漆由固化剂、成膜聚合物、填料和载体系统组成。
在粘接组件中，在每个界面上都发生各种相互作用，从而实现整体粘接。引物-金属界面涉及引物组分在金属表面的吸附和/或螯合。底漆-粘合剂界面通过各组分在层内的吸附和/或扩散来获得涂层间的粘附性。反应性面漆化学物与底漆和弹性体的交叉桥接也发生在每一层的界面上。在胶粘剂和底漆层内，聚合物系统的内部交联也发生。
在所述粘接组件内的组件层以从底漆到弹性体的模量逐步降低的方式排列。这可以在图1所示的粘合组件中看到。这样布置的原因是在衬底和弹性体之间提供了一个刚度变化的梯度，消除了尖锐的界面。
橡胶-金属粘合工艺
稳定生产坚固的橡胶-金属粘合组件涉及五个基本概念:弹性体类型、表面准备、底漆/粘合剂准备和成型。就重要性而言，每个步骤都是等效的，并且在设计和流程开发阶段，它们都需要高度关注。一个健全的过程控制计划也将导致生产坚固的粘接组件。下面几节将进一步详细讨论每个基本原理。
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弹性体类型在决定合适的胶粘剂系统时，首先需要考虑的是所使用的弹性体类型。由于极性和不饱和程度较高，一些弹性体被认为比其他弹性体更容易粘结。这可以被视为图2所示的可绑定性指数。有各种粘合剂配方，以粘结不同类型的通用弹性体和特种弹性体。
还应考虑到复合在弹性体的粘结性中起着重要作用。关于填料水平，填料的类型和数量在粘结性中起作用。例如，炭黑含量低于40 p.h.r.(每百份橡胶)的化合物通常比含量较高的化合物更难结合。此外，在化合物中包含粘土和二氧化硅往往有助于粘结。化合物中的硫水平在可结合性中也起着重要作用，因为含硫很少或不含硫的化合物很难结合。化合物中至少1 p.h.r.的硫已被发现能促进结合。还需要注意化合物中使用的各种促进剂、油、扩展剂和抗降解剂的粘结影响。
粘接过程的下一个基本步骤是金属基板的表面制备。适当制备的金属表面是获得最佳粘结性能的必要步骤。准备金属表面的第一个动作是去除表面上的所有加工油和润滑剂。这可以通过使用溶剂脱脂方法或碱性清洗过程来实现。不溶性物质，如铁锈，也需要从金属表面去除。这可以通过使用机械处理方法来实现，如用钢或氧化铝砂爆破，研磨或机械加工。
通常，部分应用程序需要暴露在恶劣的环境中。在这种情况下，可能需要对金属进行化学处理以防止氧化。金属的化学处理通常以钢的锌或磷酸铁的形式，不锈钢的酸蚀刻，铝的铬酸盐氧化或阳极氧化过程。这种化学金属处理也有助于保护键合的完整性。一旦金属零件准备好，建议尽快涂上底漆。如果必须在准备和底漆部件之间进行停留，重要的是防止金属表面污染。
底漆/胶粘剂制备粘接过程的下一步是确保底漆和粘合剂可以使用。在准备使用胶粘剂系统时，首先需要使材料达到预期的工作温度。这一点很重要，因为温度会对产品的粘度产生影响。在使用过程中适当搅拌底漆和粘合剂也是非常重要的。这使得沉淀的成分在应用过程中均匀地分散在整个产品中。溶剂型材料的搅拌可通过混合或摇动进行;水基系统只能以较低的速度混合(20-30 rpm)，以防止起泡。水基系统永远不应该因为同样的原因而动摇。溶剂型系统应以40-60 rpm的速度使用防爆设备进行混合。表1给出了混合溶剂型粘合剂系统的典型指南。
最后，根据所选择的应用方法，可能需要用推荐的稀释剂稀释粘合剂系统。稀释到合适的产品粘度对于建立一个可控的过程是至关重要的，在这个过程中可以达到合适的薄膜厚度。稀释底漆或粘合剂时，重要的是要慢慢加入稀释剂，以防止材料。这可能导致材料发生不可逆的胶凝或相分离。
底漆/胶粘剂应用程序要讨论的粘合过程的下一个方面是底漆和粘合剂体系的应用。有几种方法可以应用底漆和面漆;这些方法包括喷涂、蘸涂、刷涂和卷涂。无论选择哪种方法，重要的是要利用一种方法，在这种方法中可以达到系统的最佳推荐干膜厚度。一般情况下，推荐的最佳粘接性能的干膜厚度为底漆的0.005-0.010 mm，粘合剂的0.015-0.020 mm。建议增加面漆干膜厚度(0.02-0.038 mm)用于硫化后粘接应用。
应用溶剂型胶粘剂体系的标准操作是将底漆涂在制备好的金属上，干燥底漆，涂上胶粘剂面漆，干燥面漆。水基系统在应用前需要对金属进行预热;建议目标金属表面温度为322.15-333.15K。这些材料的干燥可以在室温下进行，也可以通过使用循环空气烘箱在338.15-366.15K的温度下加速。重要的是不要让零件的表面温度超过393.15K，因为这会过早地粘合。典型的溶剂型粘合剂喷涂应用示意图如图3所示。
在应用胶粘剂系统后，在处理被涂覆的部件时要小心，这样胶粘剂表面才不会被污染。因此，在操作部件时，应使用纯棉手套。同样重要的是，在涂层后尽快铸造零件。但是，如果必须中途停留，零件应储存在密封容器中，这样它们就不会暴露在污染物和紫外线下。应与粘合剂制造商联系，以获得有关涂覆部件的最大停留时间的指导。
成型橡胶到金属部件通常是通过注射成型、转移成型或压缩成型工艺制造的。高压灭菌法和无压蒸汽成型法也用于一些特殊的应用。在成型过程中，必须仔细确定参数，以便弹性体硫化和胶粘剂固化同时发生。此外，在成型周期中，弹性体和粘合剂必须实现亲密接触。这是通过优化成型压力和弹性体粘度来实现的;这允许适当润湿胶粘剂表面的弹性体。在整个成型周期中，还必须确保在每个模腔中保持均匀的温度。温度的变化可能导致潜在的粘结失效。
成型过程的另一个重要方面涉及加热涂层部件时，他们装载到模具腔;这被称为预焙。优化涂层零件的预焙条件对成型工艺具有重要意义。在某些情况下，过多的热量会导致胶粘剂系统过早固化。在其他情况下，缺乏预焙可能会阻止粘合剂在模具周期中激活。加载板的使用可以帮助确保多腔模具中的所有部件都经过相同时间的预焙。
成型步骤对于获得高质量的粘结至关重要，因为弹性体和胶粘剂系统都依赖于这一步骤来相互固化/硫化。在这一步骤中缺乏可变控制可能会导致现场偶发的粘接故障。
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测试/故障排除
橡胶-金属键合性能的测试通常按照指南进行Astm d 429-14．该测试方法描述了可用于粘结评估的八种测试样品和方法(方法A到H)。在测试方法中还确定了一种识别粘附失效类型的方法。“R”代表橡胶失效;对于粘接组件，这是理想的失效模式，因为这表明失效发生在橡胶层内。“RC”表示故障发生在橡胶与水泥(胶粘剂)界面。“CP”是水泥(粘合剂)和底漆界面的失效，“CM”是水泥(粘合剂)和金属界面或金属到底漆界面的失效。图4中显示了这些类型的故障示例。
图4
使用此故障模式的命名法允许技术人员执行更集中的故障排除评估并确定可能的根本原因。研究发现，超过50%的粘结失效是RC失效，约30%是CM失效，其余是CP失效和内聚失效的组合(内聚失效是底漆或粘合剂层内的断裂)。应该提到的是，在现场绝大多数的失败是由于底漆和/或面漆的干膜厚度不足。这有助于指出控制给定零件上的胶膜厚度的重要性。
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总结
橡胶-金属粘合剂系统传统上是两层系统，包括底漆和面漆/粘合剂，可用于将各种弹性体粘结到基材(通常是金属)上。粘附的机制依赖于发生在金属、底漆、粘合剂和弹性体界面之间的各种相互作用。为了使胶粘剂系统发挥其功能，必须正确地利用它。这涉及到橡胶与金属粘合的五个基本方面:弹性体类型、金属制备方法、底漆/粘合剂制备、底漆/粘合剂应用和成型操作。注意橡胶-金属粘合工艺的每个方面的细节，将允许可靠的粘合操作和可靠的成品部件。
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