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為了提高橡膠與金屬的粘合性能(剪切強度),關鍵性的措施是改善橡膠表面的表面活性,增強橡膠基體與膠粘劑的化學鍵合與機械結合能力,因此,國內外一直在努力尋找更為理想的表面處理方法。光氧化法就是眾多努力的成果之一。
光氧化表面處理方法是基于在一定溫度下,臭氧對橡膠表面的強烈氧化與刻蝕效應以及紫外線對橡膠表面c-c鍵、c-h鍵、c-o鍵的離解作用。這種處理方法具有主體設備簡單、無須后續清洗工藝、工藝條件容易控制等一系列優點,因此應用前景十分看好。
不久前,加拿大已經開發出一種表面改性的替代工藝,這種方法也采用激發態化學工藝。這種工藝使聚合物表面與紫外線(uv)和臭氧接觸,增加氧官能團的數量。這種紫外線/臭氧(uvo)法可以克服其它表面處理的許多缺點,尤其是對三維物體。
這種uvo工藝已經在聚丙烯((pp)和聚對苯二甲酸乙二醇醋(pet)的基片上進行了試驗。當接觸到紫外線和臭氧時,這兩種材料能夠迅速而重復地吸收表面氧官能團。氧官能團的附著極大地改變了表面能,并可改進涂料和其它材料的粘性。試驗結果表明,uvo法能夠經濟地改變聚合物的表面特性[16]。
1.3 橡膠與金屬粘合概述
當前普遍使用的橡膠與金屬粘合方法有硫化粘接法,橡膠表面化學處理法。硫化粘合法是經過適當表面處理的金屬直接與未硫化橡膠依次疊加后同時置于硫化模具中,在加熱加壓中實現硫化化學反應與相應的界面反應同時完成的“共硫化”的方法,即通過膠粘劑與金屬橡膠兩界面之間的吸附、擴散、交聯反應以及橡膠內部和膠粘劑內部的硫化反應,從而產生相當高的粘接強度。這種方法具有一定的局限性。首先,處理后的金屬件要立即與膠料粘合,否則會因為金屬表面氧化而導致粘合效果不穩定,鍍黃銅法只對一定的膠種有效;在膠料中添加少量粘合增進劑,如一些多價金屬的有機酸和無機鹽,雖可提高粘合效果,但會改變橡膠材料原先的物理-機械性能或造成出模困難(粘模)。并且使用硫化粘合法無法加工特別大的復合制件,例如將吸收聲納的橡膠粘接到潛艇上。
由于硫化橡膠表面的極性較弱、活性較低,并且存在脫模劑和噴霜物,因此要想把它粘合到強極性的金屬表面上就必須使用橡膠表面化學處理法。目前所采的橡膠表面化學處理法主要有①用具有強氧化性的濃硫酸對橡膠表面進行環化、磺化處理,改變表面層橡膠的結構,引入極性基團;②用濃鹽酸及次氯酸鈉溶液處理橡膠表面使之氯化引入極性基團;③用多異氰酸酯類粘合劑處理橡膠表面;④對橡膠表面進行機械打磨,并用溶劑除掉硫化橡膠表面的石蠟、硬脂酸等軟化劑噴出物以及隔離劑的污染物。這些方法雖然有效,但粘合效果提高并不明顯,對橡膠的物理機械性能及耐老化性能影響較大,處理工藝復雜,同時存在環境污染嚴重等問題。
因此,為了解決上述方法中的缺點,我們對以硫化橡膠在室溫下的粘合進行了深入的研究。
1.3.1 硫化橡膠與金屬粘合的方法
硫化橡膠與金屬的粘合分為冷粘和熱粘兩種,其中冷粘是最常見的。所謂冷粘就是在室溫條件下進行粘合。無論冷粘或是熱粘,膠粘劑都是不可缺少的物質。
冷粘必須選用室溫下能硫化的單組分或雙組分膠粘劑。膠粘劑最好是無溶劑型的,但實際上大多數都是某種溶劑配制而成的溶液,其中的溶劑對硫化橡膠或多或少都有影響,膠粘劑涂刷后都必需進行晾干,讓膠粘劑中的溶劑充分揮發掉,或使用無溶劑膠粘劑。
1.3.2 硫化橡膠與金屬粘合的工藝過程
為了獲得良好的粘接效果,必須注意如下幾個方面:
⒈ 所用的膠粘劑必須對待粘物體(金屬和橡膠)的表面有良好的浸潤性;
⒉ 待粘物體與膠粘劑的粘接強度以及粘結劑本身的內聚強度要高;
⒊ 膠粘劑固化時的殘余形變要小;
⒋ 粘接的耐久性要好。
為了實現橡膠與金屬的牢固結合,要求從金屬的表面處理、膠粘劑的選擇、粘接工藝、粘接接頭設計等各方面進行考慮
1.3.2.1 硫化橡膠的表面處理
由于硫化橡膠表面存有石蠟、硬脂酸等軟化劑噴出物以及隔離劑的污染,所以必須進行表面處理。表面處理方法可分為兩種:一種是物理方法,即涂溶劑法和機械打磨更新表面的方法;一種是化學方法,包括涂異氰酸酯法,用濃硫酸處理表面生成環化橡膠的方法,用濃鹽酸及次氯酸鈉溶液處理表面使之氯化引入極性基的方法等。
1.3.2.2 金屬表面的處理
金屬的表面一般可采用打磨或噴沙后溶劑清洗,也可化學處理或極化處理。其中噴沙的效果較好,可分為:
⒈ 溶劑清洗脫脂;