表面处理对钢板与环氧胶粘性能影响论文表面处理对钢板与环氧胶粘性能影响论文预读:摘要：《粉末冶金技术杂志》2016年第3期摘要:通过机械划痕、酸洗和磷化三种表面处理的方法对钢板进行物理和化学处理,研究了不同处理方法对钢板与环氧树脂粘结强度的影响.利用表面粗糙度轮廓仪、光学显微镜和SEM扫描电镜对钢板表面形貌和环氧树脂的涂覆效果进行研究.结果表明:钢板表面腐蚀坑的形状、分布、粗糙度是影响其与环氧树脂粘结强度的主要因素.通过比较,酸洗处理25min的试样粘结强度提高最大,较未处理的样品提高了169%.关键词:表面处理;表面粗糙度;酸洗;磷化处理;剪切强度表面粘涂技术是以高分子聚合物与特殊填料组成的复合材料胶粘剂涂覆于零件表面实现某种用途的新技术.提高界面粘结强度的方法主要分两个方面［1－3］,第一是改变复合材料用的粘结剂的成分,通过对粘结剂改性达到提高其粘结力的效果.第二是对金属基体进行表面预处理,这也是影响粘结剂/金属界面粘结强度的重要因素［4］.在粘结之前,对金属表面进行一系列处理以去除金属表面氧化层和灰尘等,形成新的表面,可以提高金属界面粘结的强度.金属表面的处理方法大致可分为机械法和化学法两种［5－9］.本文主要研究了几种表面处理方法对环氧胶粘涂层剪切强度的影响,同时用拉伸剪切强度来反映涂层粘结强度.1.试验1.1金属表面处理分别使用物理划痕、酸化和磷化对钢板进行表面处理.具体的处理步骤如下所示:物理划痕.物理划痕法处理分两种方案,一是使用800#砂纸对钢板表面进行打磨以去除表面氧化层,之后使用铣床在钢板表面铣出槽宽b=(2±0.2)mm,槽深h=(0.5±0.1)mm的平行槽痕［10］.二是使用不同型号的砂纸(36#、60#、80#、320#、600#)对钢板表面进行打磨直至其表面呈现平行等深的划痕,使用丙酮清洗去除油污,在60℃下烘干.得到表面粗糙度不同的试样.酸化处理.首选使用600#砂纸对钢板表面进行预处理,并使用丙酮除油污,将预处理后的钢板浸入质量分数18%的盐酸中,分别酸化10min、20min、25min、30min,使用去离子水冲洗干净后,在60℃下烘干.磷化处理.按照表1配方配置锌系磷化液［11］.将经600#砂纸打磨和丙酮除油后的钢板置于锌系磷化液中磷化1h,取出后用去离子水冲洗干净,在60℃下烘干,得到磷化处理后的钢板.1.2试样制备与检测根据国家标准《GB7124－86胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)》制备拉伸剪切试样,如图1所示.使用CMT4105微机电子万能试验机(加载速度5mm/min)测试试样的拉伸剪切强度;使用三维表面轮廓仪测量试样的粗糙度;使用DMＲ99－0426型金相显微镜和CAMBＲIDGES-360扫描电子显微镜观察试样表面的微观形貌.2.结果与讨论2.1物理改性对粘结剂粘结强度的影响采用铣床对钢板表面进行处理后其粘结强度为4.21MPa,相比于处理前(2.87MPa)提升了49%.如图2所示为拉伸剪切破坏之后试样的表面形貌,从图2中可以看出,虽然划痕的存在增大了钢板与粘着剂之间的接触面积,但由于粘接剂的表面张力,粘接剂难以填满沟槽,导致粘接效果不佳.图3为使用砂纸打磨处理后,钢板的表面粗糙图3钢板表面粗糙度与粘结强度的关系Fig.3Surfaceroughnessvs.bondingstrengthofsteelplate度与对应的拉伸剪切试样的粘结强度的关系.从图3中可以看出,随着钢板表面粗糙度的增加,其粘结强度表现出现增加后降低的趋势,峰值为6.09MPa(对应Ｒa=0.874μm)较未处理钢板提升了112%.其主要原因是粗糙度增大,钢板的表面积增大,因此钢板与粘结剂发生相互作用的面积也增大,使得粘结更加牢固;当表面粗糙度进一步增大后,由于钢板表面出现较深的划痕,使得粘结剂难以均匀的涂敷在金属表面,在粘接剂凝固过程中容易出现气泡,出现未填满的孔洞(如图4所示),对粘结层产生局部的破坏,从而使得粘结强度下降.图4为光学显微镜下粘结剂涂覆钢板表面的形貌.当钢板表面未处理时,粘结剂在钢板表面出现大量未涂覆的区域,如图4(a);钢板表面经过60#砂纸打磨后,粘结剂能够均匀且充分的覆盖钢板表面,覆盖后表面平整,无明显的未涂覆区域,此时粘接效果最好;钢板表面经320#砂纸打磨后,粘接剂涂覆层出现较小面积的未涂覆区域;经600#砂纸打磨后,未涂覆区域的区域面积变大,因而表现出粘结强度的降低.2.2酸洗处理对粘结剂粘结强度的影响图5为钢板经不同时间酸洗处理后,表面粗糙度和对应的拉伸剪切强度的关系.从图5可以看出随着酸洗时间的增加试样表面粗糙度呈现先增加后降低的趋势,对应的拉伸剪切强度也呈现先增加后降低的趋势,二者之间呈一定的正相关关系.拉伸剪切强度的峰值出现在表面粗糙度Ｒa=0.517μm处,远低于机械划痕法处理时峰值对应的表面粗糙度,峰值强度为7.74MPa,较未处理表面提升了169%.图6为经过不同酸洗时间后钢板试样的表面形貌图.从图6中可以看出,在刚开始酸洗时试样表面出现点状的腐蚀坑,并随着酸洗时间的增加腐蚀坑逐渐延伸成不规则的裂纹状,在酸洗25min后表面腐蚀凹槽基本实现相互连接;进一步延长酸洗时间后表面腐蚀严重,试样表面被剥离严重.酸洗处理后粘结强度高于机械划痕法的原因在于酸洗可有效去除金属表面的氧化层和有机污物,获得一个较为清洁的表面［12,13］,该清洁表面改善了钢表面的浸润能力,有利于环氧树脂等聚合物在金属表面的润湿和铺展,提高了金属表面和环氧树脂界面间的粘接强度.另外由于腐蚀产生的腐蚀坑是均匀分布的,均匀分布的腐蚀坑有利于提升材料黏着性能.尤其是在酸洗25min后,腐蚀坑之间已经实现相互连接,有利于粘结剂的填充,因而表现出较高的粘结强度.此外,酸洗还能有效除去钢板表面的氧化层,并对钢板表面起到活化的作用、使其表面能增加,有利于粘接剂和钢板实现良好的结合［9］.这些因素综合作用导致了粘结强度的增大.当侵蚀时间达到30min,腐蚀坑变得过大而不均匀,钢板表面剥离严重,表现出粘结强度的下降.2.3磷化处理对粘结剂粘结强度的影响钢板经过磷化处理后,其粘结强度6.10MPa,较未处理试样提高了113%,与机械划痕法的最优值相当.图7为经磷化处理后,钢板的表面形貌图及成分.从图7中可以看出,磷化处理后钢板表面形成了一层以磷酸盐为核心的放射状分布的磷化膜,使钢板表面存在大量的凸起,增大了钢板的表面积;另一方面在毛细作用下,粘结剂渗入磷化膜内,增加了结合强度,使剪切强度大幅度提高.但磷化膜本身较为粗大、不致密,导致磷化膜与钢板的附着力较低［2］,因而其粘结强度较酸洗25min的试样低.3.结论(1)在一定范围内钢板表面粗糙度的增加能有效提升粘结剂与钢板之间的粘结强度,但只有在合适的粗糙度下粘接剂才能完全均匀的涂覆在钢板的表面.使用60#砂纸进行物理划痕改性后,试样的拉伸剪切强度的极大值为6.09MPa,较未处理的样品提高了112%.(2)酸洗处理后表面腐蚀坑的形态和分布对粘结强度影响很大,形状和取向均匀分布的连续腐蚀坑可以在较低的粗糙度下实现更好的粘接效果.当侵蚀时间为25min时,粘接强度达到峰值7.74MPa,较未处理的样品提高了169%.(3)磷化处理后钢板表面形成了一层以磷酸盐为核心的放射状分布的磷化膜,增加了粘着剂和基体的结合强度,表现出良好的界面性质,拉伸剪切强度达到了6.103MPa,与机械划痕处理后相当.参考文献:［1］张璞,许立宁,路民旭．金属表面预处理对环氧树脂粘结剂粘结强度的影响［J］．科学技术与工程,2007,7(8):1662－1665．［3］唐群,楚建新．“双层金属布”硬质涂层的微观组织与性能［J］．粉末冶金工业,2002,12(1):23－30．［4］管从胜,马长江,杜爱玲．磷化处理在FEP/PPS复合涂层中应用研究［J］．腐蚀科学与防护技术,2006,18(2):136－140．［5］赵胜．粘钢加固技术应用研究［J］．经济师,2005(8):295－295．［6］黄良平,唐先贺,谭亮红．金属表面处理工艺对橡胶与金属粘合性能的影响［J］．特种橡胶制品,2003;24(1):34－37．［7］边洁,王威强,管从胜．表面预处理对PPS/FEP复合防腐涂层结合强度的影响［J］．中国表面工程,2003;63(6):42－46．［8］刘志文,刘敬福,李赫亮,等．表面处理对环氧胶粘涂层剪切强度的影响［J］．表面技术,2002,31(3):12－14．［9］罗能凤,丁新艳,刘国钧,等．金属表面处理对涂料性能的影响［J］．上海涂料,2010,48(5):18－22．［10］李慧,张鹏,程永奇,等．金属表面预处理对金属/聚合物界面粘结强度的影响．玻璃钢/复合材料,2013(4):51－54．［11］许立宁,张颖怀,路民旭．磷化处理对胶粘剂/金属界面力学性能的影响［J］．北京科技大学学报,2007,29(2):103－107．［13］潘菲．热轧硅钢表面氧化皮的特征和酸洗加速技术的研究［D］．华东理工大学,2013．。
