粘结力相关.doc

转帖PE/UP FRP的粘接问题PEUPR玻璃钢界面粘接研究中国航天科技集团第四研究院43研究所周文英 谷宏治 沱彦谋 寇静利1前言 随着水处理行业急剧发展，环保型玻璃钢聚乙烯复合结构水处理容器用途日益广泛，水处理容器采用聚乙烯（PE）作为内胆，壳体采用玻璃纤维/不饱和聚酯树脂（UPR）湿法经纵、环向缠绕壳体厚度约13mm。复合结构水处理容器结构形状见示图1。聚乙烯塑料因卓越的耐化学腐蚀性、良好耐冲击性能、成本低廉及成型加工简便是作为水处理容器内胆的首选材料。不饱和聚酯树脂具有较优良力学性能、耐化学腐蚀性能，且价格低，加工工艺简单，常温常压下固化成型无副产物，粘度较低等特点，适合水容器纤维缠绕成型，它能充分发挥树脂基体中连续纤维的高强特性。纤维缠绕结构的方向强度比可根据结构要求进行设计。通过严格控制线型纤维方向，使得全部主应力均由受拉纤维承担，在结构的任何方向上，载荷要求的强度都能与材料提供的实际强度相适应，从而获得复合结构型高强度内压力容器，满足设计届用要求。 聚乙烯作为水容器内胆使用时，不可避免地涉及到PE塑料同缠绕层之间的粘接问题，PE属于难粘材料，表面呈惰性，目前极少有特效胶粘剂能够粘牢聚乙烯。UPR因固化后收缩率很大，粘接性差，无法作为PE胶粘剂使用，因此缠绕复合材料壳体很快与PE内胆脱粘、分离，导致复合结构水容器受力时内胆和壳体无法协同受力。相互间界面分离对其使用性能影响很大。 国外水处理容器内胆常采用ABS、PE材料，壳体采用环氧树脂极璃纤维缠绕而成，由于其内胆上涂有一种专用胶粘剂，又因ABS和环氧树脂粘接性能很好，所以国外水必理容器对此脱粘问题解决得很好。 内胆与缠绕层之间良好粘接既能提高复合结构的韧性和耐冲击性能，又能保证刚性和强度。还有利于提高水容器外观质量、使用寿命及缠绕层力学性能发挥有很重要意义。据了解目前国内水处理容器厂家至今均没有解决此脱粘难题。2 脱粘原因分析 经分析将水处理容器内胆缠绕层脱粘要主原因归纳为以下三点： 21聚乙烯塑料自身的难粘性 聚乙烯塑料后于难粘材料，主要是由以下原因造成的：a表面能低，临界表面张力只有（3134） 105Ncm，因而其水接触角大，印墨、胶粘剂不能充分润湿PE基材。b聚乙烯是非极性高分子材料，分子上没有任何极性基因，结构对称性好，胶粘剂吸附在其表面，只能形成较弱的色散力。C聚乙烯结晶度高，化学稳定性好，溶胀和溶解比非结晶高分子困难，当溶剂性胶粘剂涂在其表面，很难发生高聚物分子链成链或相互扩散、缠结。d聚乙烯表面存在弱边界层，弱边界层的存在造成材料表面粘接性差。综上所述，聚乙烯粘接性能极差，且目前市面很少发现有特效胶粘剂能够粘牢聚乙烯。 22不饱和聚酯树脂粘接性差 UPR因固经后收缩率很大，故粘接性很差，通常很少作为胶粘剂使用，所以根本无法粘接PE材料。 23两者性能差别及外界影响 PE内胆是热塑性材料，韧性好，易变形，但刚性低。UPR玻璃钢是热固性材料，韧性差，变形量小，刚性大。二者热膨胀系数相差很大，所以适合粘接二者的胶粘剂必须要能够经受住由于较大范围温度变化引起的热膨胀不均一而造成的粘接界面脱离。此外水处理容器常年受到变化的内压作用，内压变化很快，迫使内胆和缠绕层时刻受到变化的内压作用而发生相应形变，因二者变形能力相差很大，所以易造成粘接界面脱粘。 以上分析也就是为什么目前国内水容器厂家没有解决内胆/缠绕层脱粘难题的原因。3 解决方案 针对聚乙烯表面分子极性低、粘接特点，进行粘接时，人们经常对聚乙烯采取了多种表面改性方法：通过化学、气体热氧化、火焰处理、电晕、低温等离子技术动化学、表面改性剂等方法进行表面处理以在其表面分子链中引入极性基团从而提高粘接性能。常规的处理方法虽然很多，但几乎没有一项适用于水容器内胆处理。要么设备成本太高，要么周期过长根本不适合水容器生产需求。鉴于实际生产和成本情况，本文拟选用一种化学表面处理液，首先能够破坏PE，然后使UPR粘接此胶粘剂。 31胶粘刘选择 由于聚乙烯是非极性材料，韧性好，刚性差，所以应选择像丙烯酸酯胶、改性橡胶、塑料胶等弱极性胶粘剂，或用能溶解被粘物的溶剂，如三氯甲烷、二氯乙烷等。由于内胆与缠绕层经常受到剥离力、不均匀扯离力、剪切力作用，故要求胶粘剂必须具有一定韧性才能缓冲两种被粘物由于可挽曲性和热膨胀性差异在胶层界面产生的内应力。此外，粘接时应遵循应力最小原则。由于PE和UPR玻璃钢弹性模量不同，受力时应变也不同，要满足应力最小原则，必须使胶粘剂的弹性模量和应变分完伪PE和UPR玻璃钢各自弹性模量和应变之和的平均值。为此，前后选择了大约6种适合聚乙烯粘接的胶粘剂。考虑到价格、粘接强度及长期抗疲劳破坏能力、粘度、是否影响UPR固化、固化快慢、毒性大小等影响因素，优先选择了浙江金鹏化工公司的SGP10底涂处理剂和改性一氰基丙烯酸酯类快平型胶粘剂。 32PE与UPR玻口钢粘接机理 聚乙烯塑料属于难粘材料，聚乙烯含有低强度的含氧杂质或低分子物质，在其粘接界面存在着使粘接强度降低的弱边界层。此外，绝大多数胶粘剂的表面张力大于聚乙烯，使得胶粘剂无法润湿聚乙烯表面，不能使两材料界面形成分子接触，产生界面分子间作用力，所以粘接界面承受的破坏应力很少。SG-P-10底涂处理聚乙烯表面后，破坏了致密的惰性表面，在其表面形成很多活性点，消除了弱边界层。使得改性一氰基丙烯酸酯易于润湿聚乙烯表面，两者形成面接触，产生分子间作用力。所以SG-P-10底涂处理剂配用改性一氰基丙烯酸酯类胶粘性，使胶粘剂单体促进剂与聚合物产生渗透、互穿、交联作用，形成与被粘物分子链的缠结，获得高粘接力。粘接拉伸剪切强度达8OMPa以上，几乎达到PE材料的破坏强度。待一氰基丙烯酸酯固化后，在PE内胆上湿法缠绕浸透UPR胶的玻璃纤维。UPR胶含量约25左右，UPR在a-氰基丙烯酸酯表面固化、粘接，固化压力由缠绕张力（约 10 Kgf）施加。因玻璃纤维含量高，所以UPR收缩率很低，UPR极容易粘牢-氰基丙烯酸酯。此外-氰基丙烯酯对UPR固化无任何影响，因此二者界面粘接强度很高，结果在低模量的聚乙烯与高模量的玻璃钢之间，胶粘剂过渡层形成了模量梯度，减少了复合结构受力时的应力集中，使得PEUPR玻璃钢复合结构型水处理容器获得良好的力学性能。4 粘接工艺实验与结果 4l 粘接工艺过程 聚乙烯具有密实的非极性情性表面，如未对其表面进行处理，胶粘剂对之不产生机械或化学粘接力，所以必须进行表面处理。先用自来水清洗内胆。再用清洁棉纱擦干净聚乙烯内胆外表面所附着的灰尘、油污、脱模剂及其它吸附化学污染物，最后用丙酮进一步清洁表面，等西酮挥发完后待用。将SGP10底涂处理剂均匀涂于清洁过的内胆上，1015分钟后，均匀涂敷改性一氰基丙烯酸酯，凉置25分钟，待溶剂挥发，胶粘剂固化后，将内胆置于缠绕机上，进行UPR/璃纤维湿法缠绕，完毕，静置610小时，凝胶、固化后，转入固化炉进一步团化。 42 粘接结果 参照水处理容器实际使用情况进行模拟试验，以此来评价粘接效果。 42l热应力试验 聚乙烯塑料与UPR玻璃钢热膨胀系数相差很大，受热膨胀或收缩时，因膨胀系数差异大很容易发生粘接界面脱离。将固化好的水处理容器连续10天反复在室温至60温度范围进行实验，结果没发现脱粘。随后放置在80烘房中烘烤10小时，然后骤冷，第二天发现少许脱粘现象，但脱粘部分不连续，证明此胶粘剂能够牢固粘住PE和UPR玻璃钢，并且能够经受住热应力作用。 422内压疲劳试验 将团化好的水处理容器在006MPa循环压力下做疲劳受力实验，考验内胆与缠绕层受力时因变形能力不同而抗界面脱层分离能力。试验表明经历3万多次未发现界面层脱粘现象。表明该胶粘剂能够充分缓冲两个不同材料界面差异而造成的内应力，适合水处理容器内胆与缠绕层之间粘接使用。5 结论 本文将选用的SG一P10底涂处理剂及改性一氰基丙烯酸酯胶粘剂成功地用于水处理容器PE