樹脂預(yù)浸潤技術(shù)(RPC)增強(qiáng)鋼塑復(fù)合管道層間粘接性能研究

譚波，郭興，李建楊，夏建明，孔令強(qiáng)

(1.浙江精業(yè)新興材料有限公司，浙江 紹興 312073；2.浙江寶旌炭材料有限公司，浙江 紹興 312073)

0 引言

鋼塑復(fù)合型管材是一種新型的管道材料，它是以鋼帶為主要支撐結(jié)構(gòu)，將塑料基體以樹脂粘接劑粘覆在金屬表面[1]。該結(jié)構(gòu)保留了鋼的高強(qiáng)度和高剛度等優(yōu)點(diǎn)，并兼?zhèn)淞怂芰喜馁|(zhì)耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良特性，近年來在城市給排水體系等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在該管道結(jié)構(gòu)中，由于鋼和塑料兩種材料物理特性差異，在壓力或者溫度等外界環(huán)境影響下容易出現(xiàn)分層，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的解體與破壞，因此保證鋼和塑料之間的牢固粘接是影響鋼塑復(fù)合型管材質(zhì)量和使用壽命的重要因素[2]。

本研究以鋼和尼龍作為粘接基片，采用噴砂、銼刀壓痕等機(jī)械磨損的方法提高表面粗糙度，再結(jié)合樹脂預(yù)浸潤技術(shù)(RPC)，并基于單項(xiàng)剪切測試方法(SLS)研究了不同表面處理對鋼和尼龍粘接強(qiáng)度的影響，利用SEM研究了材料的破壞行為，來分析增強(qiáng)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

使用鋼條為金屬基片，以尼龍板為塑料基片，并將其切割成尺寸為：(長)100 mm ×(寬)25 mm的粘接基片和(長)25 mm ×(寬)25 mm的墊片。采用SELLEYS環(huán)氧樹脂AB膠為膠粘劑，其中僅環(huán)氧樹脂(A部分)用于樹脂預(yù)浸潤(RPC)工藝。分析純等級丙酮用于基片表面清洗和RPC溶液的配制。

1.2 表面處理

1.2.1 丙酮清洗、噴砂及銼刀壓痕

首先，將兩種基片在室溫條件下置于丙酮中超聲清洗45 min，之后室溫干燥。

對于金屬鋼基片，采用噴砂工藝增大其表面粗糙度，具體條件為：噴砂介質(zhì)為石榴子石，粒徑為0.2～0.6 mm，壓力為5 bar(1 bar=0.1 MPa)，距離為10 cm，時間10 s。如圖1所示，a區(qū)域?yàn)榻?jīng)丙酮清洗過的鋼基片表面，能觀察到表面覆蓋的深灰色的氧化層，SEM照片中可以觀察到疏松多孔的形貌特征；b區(qū)域由于噴砂的機(jī)械磨損作用，表面氧化層已經(jīng)基本被完全去除，形成了暗灰色且粗糙的表面，SEM照片中可以觀察到很多噴砂形成的坑洼和空隙；c區(qū)域?yàn)閲娚昂蠼?jīng)樹脂預(yù)浸潤(RPC)處理的區(qū)域，詳見1.2.2。

圖1 鋼基片數(shù)碼照片及對應(yīng)區(qū)域SEM照片

對于質(zhì)地相對柔軟的尼龍基片，采用銼刀壓痕的方法，操作方法如下：利用萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，將尼龍基片粘接面置于紋路邊長為1 mm的菱紋雙面銼刀下方進(jìn)行壓痕，壓痕加載力為100 kN。如圖2所示，a區(qū)域?yàn)榻?jīng)丙酮清洗過的尼龍基片表面明亮光滑，粗糙度很低；在經(jīng)過銼刀壓痕后，表面形成和銼刀相似的菱形紋理(b區(qū)域)，粗糙度大大提高，從SEM照片中能觀察到許多壓痕斷口和裂縫。

圖2 尼龍基片數(shù)碼照片及對應(yīng)區(qū)域SEM照片

1.2.2 樹脂預(yù)浸潤(RPC)處理

為了提升基片表面與膠粘劑的潤濕程度，實(shí)驗(yàn)采用了樹脂預(yù)浸潤工藝對粗糙的粘接基片進(jìn)行處理。其原理如圖3所示。利用10 wt%[3]的樹脂(不含固化劑)/丙酮溶液對基片進(jìn)行預(yù)浸潤處理，由于丙酮具有良好的滲透性，能夠預(yù)先將樹脂帶入基片粗糙表面的空隙中。隨著固化劑的擴(kuò)散膠聯(lián)，樹脂將最終固化并深入扎根于基片表面微縫隙之中，從而形成更高強(qiáng)度的粘接界面。具體操作方法為：將干凈粗糙的粘接基片粘接區(qū)域浸漬于10 wt%的樹脂/丙酮溶液中10 s，然后置于通風(fēng)櫥30 min使丙酮完全揮發(fā)。

圖3 RPC作用于銼刀壓痕尼龍基片原理圖

經(jīng)過RPC處理的尼龍和鋼基片SEM照片如圖4所示，不論是在鋼基片還是在尼龍基片上，得益于丙酮良好的滲透性能，樹脂進(jìn)入到粗糙基片表面的坑洼和空隙之中，粗糙的基片表面的空隙得到了填補(bǔ)，表面的粗糙程度有所降低。

圖4 經(jīng)RPC處理的尼龍基片

1.3 測試及表征方法

粘接強(qiáng)度通過單面搭接剪切法(Single Lap Shear, 簡稱SLS)測試，試樣尺寸如圖5所示，由Instron5982型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行；利用ZeissSupra 55VP掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行斷裂行為分析。

圖5 SLS測試試樣尺寸模型圖

2 結(jié)果與討論

2.1 RPC工藝對鋼-尼龍粘接復(fù)合材料粘接強(qiáng)度的影響

為了探究RPC工藝對鋼-尼龍粘接復(fù)合材料粘接強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了四組試樣按照圖5所示模型組裝，進(jìn)行SLS測試。四組不同粘接試樣基片表面處理方法如下：G1中鋼基片和尼龍基片除經(jīng)丙酮清洗外未經(jīng)任何處理；G2中鋼基片和尼龍基片經(jīng)丙酮清洗之后直接進(jìn)行RPC處理；G3中鋼基片和尼龍基片經(jīng)丙酮清洗后只分別進(jìn)行噴砂和銼刀壓痕處理；G4中鋼基片和尼龍基片經(jīng)丙酮清洗后分別進(jìn)行噴砂和銼刀壓痕處理，再經(jīng)RPC處理。

SLS測試結(jié)果示如圖6所示。粘接基片未經(jīng)處理的鋼-尼龍層狀復(fù)合材料G1剪切強(qiáng)度最低，僅為2.90 MPa，這是由于鋼表面疏松的氧化層阻礙了基片與粘接劑之間的連接，在粘接層之間形成空隙和缺陷。而當(dāng)基片經(jīng)過表面粗糙化處理之后，鋼-尼龍層狀復(fù)合材料G2剪切強(qiáng)度提升46.21%。這是由于噴砂的沖蝕磨損作用去除掉了表面疏松的氧化層，同時鋼基片和尼龍基片表面粗糙度得以提高，使得基片與粘接劑之間能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的咬合互鎖作用，因而剪切強(qiáng)度有了顯著提升。而對于直接進(jìn)行RPC處理的試樣G3，剪切強(qiáng)度相對于基片未經(jīng)處理的試樣也有一定的提升，強(qiáng)度提升至3.34 MPa，提升率為15.17%。這可能是由于RPC工藝改善了粘接劑與基片之間的潤濕性所致。而當(dāng)結(jié)合了噴砂和銼刀壓痕以及RPC處理的G4試樣，剪切強(qiáng)度提升最大，達(dá)68.28%。這是由于在基片經(jīng)表面粗糙化處理而提升了咬合能力的基礎(chǔ)上，RPC工藝使得粘接劑能夠完全進(jìn)入到粗糙基片表面的微小空隙中，使得粘接劑能夠完全潤濕基片，因而表現(xiàn)出較高的粘接強(qiáng)度。

圖6 不同粘接試樣SLS測試剪切破壞強(qiáng)度

2.2 RPC工藝對鋼-尼龍粘接復(fù)合材料剪切斷裂行為的影響

在G2試樣的剪切破壞面上[圖7(a)]，鋼基片和尼龍基片破壞表面能觀察到許多樹脂斷裂破損的受力痕跡，同時也存在許多空隙和空洞。而在基片經(jīng)過RPC處理的試樣G4破壞面上，鋼基片和尼龍基片表面很少有空隙等缺陷，基本已經(jīng)被樹脂斷裂的痕跡所覆蓋。這說明得益于RPC工藝，使得樹脂進(jìn)入到粗糙的粘接基片表面裂縫和空隙中，增大了粘接劑與粘接基片的潤濕性，從而提升了粘接強(qiáng)度，增強(qiáng)了粘接性能。

圖7 不同粘接試樣SLS測試剪切破壞面SEM照片

3 結(jié)論

本論文采用SLS測試方法，研究了機(jī)械磨損和RPC工藝對鋼-塑料界面粘接強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴砂和銼刀壓痕能夠分別提升鋼和尼龍基片表面粗糙度，增強(qiáng)基片與粘接劑的咬合作用，從而提升粘接強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上，RPC工藝?yán)帽牧己脻B透性能夠?qū)渲氪植诨砻嫖⑿〉目障逗土鸭y中，增大基片與粘接劑的潤濕性，減少粘接界面內(nèi)部的缺陷，從而進(jìn)一步提升粘接強(qiáng)度，最終鋼-尼龍粘接強(qiáng)度提升率達(dá)68.28%。