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    周文英, 杜泽强, 沈燕谋, 寇静利
(中国航天科技集团第四研究院43研究所,陕西省西安市710025)
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、环向缠绕而成,缠
绕壳体厚度约l~3ram。复合结构水处理容器结构 形状示意图见图l。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, 加工工艺简便,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 格控制线型和纤维方向,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、使用要求
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 卡占牢聚乙烯。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/玻璃纤维缠绕而成,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,所以国外水处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。
1 脱粘原因分析
经分析将水处理容器内胆/缠绕层脱粘主要原 因归纳为以下三点:
1.1 聚乙烯塑料自身的难粘性
聚乙烯塑料属于难粘材料,主要是由以下原因 造成的:a)表面能低,临界表面张力只有(3l~34)× 10~N/cm,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团,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。
1.2 不饱和聚酯树脂粘接性差
UPR因固化后收缩率很大,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。
1.3 两者性能差别及外界影响
PE内胆是塑性材料,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 造成粘接界面脱粘。
2 解决方案
针对聚乙烯表面分子极性低的特点,进行粘接 时,人们经常对聚乙烯采取多种表面改性方法:通过 化学、气体热氧化、火焰处理、电晕、低温等离子技 术、力化学、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[2]。
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惰性表面,造成部分活性点,提高PE表面 粘接性能。然后使用配套胶粘剂来粘接PE,再使 UPR粘接此胶粘剂。
2.1 胶粘剂选择
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挠曲性和热膨 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别为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,优先选择了金鹏化工公司的SG—P一10 底涂处理剂和改性α-氰基丙烯酸酯类快干型胶粘 剂。
2.2 PE与UPR玻璃钢粘接机理
聚乙烯塑料属于难粘材料,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一10底涂处理剂处理聚乙烯表面后,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α-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一10底涂处理剂配用改性α-氰基丙烯酸酯类 胶粘剂,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8.0MPa以上,几乎 达到PE材料的破坏强度。待α-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α-氰基丙烯 酸酯表面固化、粘接,固化压力由缠绕张力(约98N) 施加。因玻璃纤维含量高,所以UPR收缩率很低,
UPR极容易粘牢α-氰基丙烯酸酯。此外,α-氰基 丙烯酸酯对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PE/UPR玻璃钢 复合结构型水处理容器获得良好的力学性能。
3 粘接工艺实验与结果
3.1 粘接工艺过程
聚乙烯具有密实的非极性惰性表面,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,等丙酮挥发完后待用。将SG— P一10底涂处理剂均匀涂于清洁过的内胆上,1O~ l5分钟后,均匀涂敷改性α-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/玻璃纤维湿法缠绕,完毕,静置 610小时,凝胶、固化后,转入固化炉进一步固化。
3.2 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。
3.2.1 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lO 天反复在室温至60~C温度范围进行实验,结果没发 现脱粘。随后放置在8O℃ 烘房中烘烤l0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。
3.2.2 内压疲劳试验
将固化好的水处理容器在0~0.6MPa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3万多次疲劳受力实验后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。
4 结论
本文选用SG—P一10底涂处理剂及改性α-氰 基丙烯酸酯胶粘剂,成功地用于水处理容器PE内 胆和UPR玻璃钢缠绕层之间的粘接。试验证明二 者之间粘接牢固,能够经受住热应力和内压力疲劳
而不脱粘。该胶粘剂粘度低,施工工艺简单。此外, 内胆与缠绕层之间的良好粘接既提高了复合结构水 处理容器的韧性和耐冲击性能,又保证了刚性和强 度,成功地解决了复合结构水处理容器内胆和壳体
协同受力问题。对于提高水容器外观质量、使用寿 命及缠绕层力学性能有很重要意义。
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     收录时间:2015-11-27 22:22 来源:中国胶粘剂网  作者:匿名
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