吳蘇煒

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽省合肥市 230088）

表面處理對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯與金屬黏接性能影響的研究

吳蘇煒

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽省合肥市 230088）

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯與金屬的黏接主要依靠表面黏附，表面處理是影響?zhàn)そ淤|(zhì)量的重要因素。對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯和金屬分別采用不同的表面處理方法進(jìn)行處理，處理完成后進(jìn)行黏接得到黏接試件，測(cè)試各組試件的黏接強(qiáng)度，得到黏接效果最好的一組。實(shí)驗(yàn)證明：采用化學(xué)方法處理后的試件黏接強(qiáng)度最好，黏接強(qiáng)度是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單表面清理試樣的2.8倍。

超高相對(duì)分子質(zhì)量 聚乙烯 表面處理 黏接性能

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯是一種性能優(yōu)異的工程塑料，具有很好的耐磨損、抗沖擊及耐化學(xué)藥品腐蝕等性能［1-2］。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯和金屬傳統(tǒng)的連接方法包括螺紋連接和鉚接。但是在一些特殊要求場(chǎng)合，例如需要保證密封性及需要減輕整體結(jié)構(gòu)重量的場(chǎng)合需要使用膠黏劑對(duì)金屬和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯進(jìn)行連接。

金屬和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的黏接主要依靠表面黏附，被黏接材料表面處理的質(zhì)量是影響?zhàn)そ訌?qiáng)度及黏接壽命的重要因素之一。實(shí)際應(yīng)用中，使用同一種膠黏劑或者采用相同膠接接頭形式，但表面處理方法不同，最終得到試件的黏接效果相差很大。常用的表面處理方法有物理方法和化學(xué)方法，其中常用的物理方法有砂紙打磨、噴砂、脫脂除油等，除此之外還有等離子處理法、偶聯(lián)劑處理法、輻射接枝處理法等［3-7］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和設(shè)備

金屬材料為不銹鋼O22Cr17Ni12Mo2，試件形狀與搭接形式見(jiàn)圖1，搭接形式為單搭接。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為非慣性型的電子式拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)試件的搭接面施加縱向的拉伸剪切力，測(cè)出試件所受的破壞載荷數(shù)值，由此可計(jì)算出該試件的拉伸剪切強(qiáng)度。 實(shí)驗(yàn)中的膠黏劑選擇J-19。

圖1 試件的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of samples

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

各組試件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及存放的時(shí)間應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足GB/T 6329—1996和GB/T 2918—1998的要求：試件制備完成至實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)最短的存放時(shí)間不得低于16.0 h，最長(zhǎng)的存放時(shí)間不得高于30天；實(shí)驗(yàn)溫度要求在（23±2）℃，實(shí)驗(yàn)相對(duì)濕度要求在45%～55%；對(duì)于只有溫度要求的實(shí)驗(yàn)，試件在實(shí)驗(yàn)溫度下放置的時(shí)間不得少于0.5 h；對(duì)于既有濕度又有溫度的實(shí)驗(yàn)，試件在這種環(huán)境下放置的時(shí)間不得少于16.0 h。

1.3 金屬試件的表面處理

將金屬試件分成5組，其中1組試件表面不進(jìn)行任何處理，其余4組試件分別采用不同表面處理方法，各組超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件均采用化學(xué)方法進(jìn)行表面處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)試各組試件在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的拉伸剪切強(qiáng)度并記錄數(shù)據(jù)。

對(duì)金屬試件采用的表面處理方法分別是：1）簡(jiǎn)易清理。使用清水、毛刷等進(jìn)行表面清理，完成后使用紗布擦凈并烘干。2）除油脫脂。按m（NaOH）∶m（H2O）為1∶12配制NaOH清理溶液，將金屬試件在溶液中浸泡20 min，取出試件后水洗，擦凈并烘干。3）機(jī)械打磨。使用100#金剛砂紙對(duì)試件打磨，完成后水洗，擦凈并烘干。4）化學(xué)處理。對(duì)不銹鋼試件表面易形成的氧化成分（FeO，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4）進(jìn)行酸洗去除。處理方法見(jiàn)表1。分兩步進(jìn)行，處理完成后取出試件水洗，擦凈并烘干。

1.4 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件的表面處理

將超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件分成5組，其中1組試件表面不進(jìn)行任何處理作為對(duì)比組，其余4組分別采用不同的表面處理方法進(jìn)行處理，金屬試件均采用化學(xué)處理方法進(jìn)行表面處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)試各組試件在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的拉伸剪切強(qiáng)度并記錄數(shù)據(jù)。對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件采用的表面處理方法分別是：1）簡(jiǎn)易清理。表面處理方法與金屬試件表面處理方法相同。2）脫脂處理。將試件浸泡在丙酮溶液中5 min，取出后水洗，擦拭干凈并烘干。3）偶聯(lián)劑處理。偶聯(lián)劑采用常用的硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑乙烯基硅氧烷，并將其配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的乙醇溶液；將配制的溶液涂抹在超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯表面，然后放置在70 ℃的條件下干燥45 min。4）化學(xué)處理。依據(jù)m（K2Cr2O7）∶m（98%H2SO4）∶m（H2O）=1∶11∶8配制重鉻酸處理液，配制完成后將試件在室溫下浸泡在溶液中90 min，取出后水洗，擦拭干凈并烘干。

表1 不銹鋼試件處理方法Tab.1 Treatments of stainless steel samples

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬試件不同表面處理后的測(cè)試

從圖2看出：各組試件中黏接效果最好的是經(jīng)化學(xué)方法處理后得到的試件，拉伸剪切強(qiáng)度最高可達(dá)30.7 MPa；黏接效果最差的是不做任何表面處理的試件，拉伸剪切強(qiáng)度僅為7.3 MPa。由上述數(shù)據(jù)可知，采用化學(xué)方法處理得到的試件的拉伸剪切強(qiáng)度是不做表面處理試件的4.2倍，是采用簡(jiǎn)易方法表面處理試件的2.8倍。

2.2 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件不同表面處理后的測(cè)試

圖2 各組金屬試件表面處理后的黏接強(qiáng)度Fig.2 Adhesive strength of each metal specimen after surface treatment

從圖3看出：經(jīng)化學(xué)方法處理后得到試件的抗剪切強(qiáng)度最高，達(dá)32.3 MPa，黏接的效果最好，是不做表面處理試件拉伸剪切強(qiáng)度的7.7倍。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中找到化學(xué)方法最佳的處理時(shí)間和配比。

2.3 時(shí)間對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件表面處理效果的影響

圖3 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件表面處理后的黏接強(qiáng)度Fig.3 Adhesive strength of each UHMWPE specimens after surface treatment

由以上兩組實(shí)驗(yàn)可知，表面處理后黏接效果最好的方法是化學(xué)處理方法，但是不同的時(shí)間對(duì)處理的效果產(chǎn)生較大的影響。從圖4看出：對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件的處理時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，合適的處理時(shí)間可增強(qiáng)黏接的效果，但是超過(guò)一定時(shí)間，試件的黏接強(qiáng)度會(huì)隨之下降。對(duì)金屬試件處理的最佳時(shí)間一般在45～60 min，而對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件最佳的處理時(shí)間范圍是90～120 min。分析原因可知，采用化學(xué)方法對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯表面進(jìn)行處理的實(shí)質(zhì)是對(duì)其表面氧化，但是過(guò)度處理就會(huì)使產(chǎn)生的氧化層脫落，影響?zhàn)そ拥男Ч?/p>

2.4 鉻酸濃度對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件表面處理產(chǎn)生的影響

圖4 處理時(shí)間對(duì)黏接效果的影響Fig.4 Influence of treating time on adhesive effect

從圖5看出：鉻酸處理液濃度同樣影響超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯表面處理效果。處理液合適的濃度配比可增強(qiáng)黏接的效果，濃度過(guò)高和過(guò)低均達(dá)不到理想的效果。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)鉻酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%～70%時(shí)，處理的效果可達(dá)最佳。

圖5 鉻酸處理液濃度對(duì)黏接效果的影響Fig.5 Influence of Chromate treatment solution on adhesive effect

3 結(jié)論

a）分別經(jīng)化學(xué)方法處理后的金屬試件和超高相對(duì)分子量聚乙烯試件形成的黏結(jié)試件的拉伸剪切強(qiáng)度為30.7 MPa，是采用簡(jiǎn)易方法進(jìn)行表面處理試件的2.8倍，是不經(jīng)過(guò)表面處理試件的4.2倍。另外一組分別經(jīng)過(guò)化學(xué)方法處理后的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件與金屬試件形成的黏結(jié)試件的拉伸剪切強(qiáng)度同樣得到明顯提高，達(dá)到32.3 MPa，比經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理后試件的拉伸剪切強(qiáng)度略高，是未經(jīng)過(guò)任何表面處理試件拉伸剪切強(qiáng)度的7.7倍。

b）改變化學(xué)處理時(shí)間和化學(xué)處理液的配比會(huì)對(duì)試件黏接性能產(chǎn)生影響，對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯試件進(jìn)行化學(xué)處理的最佳時(shí)間在90～120 min，鉻酸處理液最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是60%～70%。

［1］ 桂祖桐. 聚乙烯樹(shù)脂及其應(yīng)用［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社材料科學(xué)與工程出版中心，2002： 1-30.

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［4］ 程時(shí)遠(yuǎn)， 李盛彪， 黃世強(qiáng). 膠黏劑 ［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：1-22.

［5］ 張振英，楊淑麗. 塑料、橡膠用膠黏劑［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2005： 1-7.

［6］ 李和平. 膠黏劑生產(chǎn)原理和技術(shù)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009： 16-61.

［7］ 張玉龍，李長(zhǎng)德，邢德林，等. 金屬用膠黏劑［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2004： 1-8.

Effects of surface treatments on bonding properties of ultrahigh molecular weight polyethylene and metal

Wu Suwei

（Hefei General Machinery Research Institute， Hefei 230088， China）

The bonding of metal and ultrahigh molecular weight polyethylene mainly depends on the surface adhesion， therefore， surface treatment plays an important role in affecting the bonding properties. Different methods were used on ultrahigh molecular weight polyethylene and metal to obtain different test samples， among which the best bonding sample was obtained after testing the adhesive strength of each sample. The sample by chemical treatment proves to have the best bonding strength， which is 2.8 times that of the sample whose surface was cleaned simply.

ultrahigh molecular weight；polyethylene；surface treatments； bonding properties

TQ 325.1

B

1002-1396（2016）01-0065-03

2015-08-18；

2015-11-04。

吳蘇煒，男，1989年生，碩士，助理工程師，2011年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：（0551）65335497，15256916330；E-mail：wu_ suwei@sina.com。