ZN-1阻尼材料表面处理方式对粘接性能影响

朱 军,凌铭博,赵云峰

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

ZN-1阻尼材料表面处理方式对粘接性能影响

朱 军,凌铭博,赵云峰

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

为了改善ZN-1材料与硬铝的粘接性能，在采用环氧胶黏剂情况下，通过不同方式对橡胶材料表面进行了处理。研究表明，采用打磨、清洗橡胶表面的方式对提高粘接强度并无帮助，而采用172℃热风、K2Cr2O7－H2SO4溶液处理ZN-1材料，则可以使其与硬铝粘接强度达到橡胶本体破坏的程度。红外光谱及电镜扫描揭示，两种方式提高粘接强度的原因在于橡胶材料表面粗糙度增大，而K2Cr2O7－H2SO4溶液处理还提高了材料表面的含氧官能团，因此可以获得2.0MPa以上的粘接强度。

ZN-1阻尼材料；表面处理；拉剪粘接强度；粘接

前言

ZN系列黏弹性阻尼材料具有优良的阻尼性能和灵活的可设计性，已经广泛应用于各种军用及民用装备的减振控制，ZN-1阻尼材料作为基础型产品，应用最为广泛[1～3]。ZN-1以丁基橡胶为主要成分，阻尼性能突出，适用温度区间较宽，损耗峰的峰值一般处于室温。但由于该材料以丁基橡胶为主，本体强度较低，一般作为结构的附加阻尼层使用，需要与基体材料具有一定的粘接强度。而丁基橡胶与铝合金、复合材料等常用的结构材料的粘接性能较差，已经有不少文献对此进行了研究，但效果并不十分理想[4～7]。本文结合实际应用，主要研究了ZN-1阻尼材料的表面处理方式对其与硬铝的粘接性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

ZN-1阻尼材料，航天材料及工艺研究所；双组分聚酰胺-环氧树脂胶J-22，黑龙江省科学院石油化学研究院，使用时甲与乙组分按质量比1∶1配制。

1.2 ZN-1材料及铝片的表面处理方法

ZN-1阻尼材料制备成2mm的胶片形式，表面处理的主要方法有：（1）甲苯清洗；（2）砂纸打磨；（3）172℃热风处理2h；（4）K2Cr2O7－H2SO4溶液处理胶片30min后蒸馏水清洗至中性。所有试样粘接之前再用丙酮清洗。

铝片进行吹砂处理，之后用丙酮清洗。

1.3 ZN-1材料/铝片粘接试样的制作

将清洗晾干后的ZN-1胶片、铝片表面用胶黏剂均匀涂覆，在专用粘接工装中粘接后，85℃下烘箱中固化2h。试样冷却后去除多余胶黏剂进行拉剪性能测试。

1.4 性能测试

ZN-1胶片力学性能按GB/T531-1998、胶片/铝片粘接剪切强度按照GB/T13936-1992进行测试，使用WD-4050型电子万能试验机，试验机平均速率为（50±5）mm/min材料红外光谱采用FTS-3000傅里叶变换红外光谱仪测试。材料的动态力学性能由黏弹谱仪（DMTA）测试（法国METRAVIB公司，VA 4000），测试标准为GJB 981-1990，扫描频率为125Hz/10μm。材料电镜扫描由法国莱卡公司S440测试，扫描电压15kV。

2 结果与讨论

从粘接破坏的类型来说，主要有四种基本类型[8]:（1）发生在胶黏剂内部的内聚破坏；（2）发生在胶黏剂与被粘材料界面处的黏附破坏；（3）发生在被粘材料内部的内聚破坏；（4）上述破坏同时发生的混合破坏。对现有的粘接体系而言，主要由铝片、ZN－1材料、胶黏剂构成。其中ZN-1为橡胶，力学强度是三者中最低的，若可以使ZN－1材料本体发生破坏，表明该粘接体系粘接强度达到了最高。

影响材料粘接性能的因素主要有：材料本身的性质、材料表面的处理方法、胶黏剂的性能、粘接工艺。对目前的粘接体系，材料、粘接工艺、胶黏剂是确定的，因此主要影响因素在于材料表面的处理方法。

2.1 不同方法处理胶片表面的ZN-1材料/铝片粘接性能

不同方法处理胶片表面所测得的粘接性能结果如表1所示，测试后的试样如图1所示。

表1 不同表面处理方式试样的粘接强度Table 1 The shearing strength of ZN-1 damping materials treated by different methods

图1 不同方法处理ZN-1阻尼材料的拉剪试样（a）空白样；（b）172℃热风处理2h；（c）砂纸打磨；（d）K2Cr2O7－H2SO4处理）Fig.1 The shearing strength tested samples of ZN-1 damping material treated by different methods（a）-untreated；（b）blown with hot wind at 172℃for 2h；（c）treated with sand paper；（d）immersed in K2Cr2O7-H2SO4solution

从表1的数据可以看出，不同处理方法对粘接性能的影响很大，其中甲苯清洗粘接强度最低。ZN-1胶片表面用砂纸打磨，与空白样相比，其粘接性能大大提高。172℃热风处理、K2Cr2O7-H2SO4处理可以使该体系的粘接强度达到最大，即橡胶本体破坏。

2.2 影响ZN-1材料/铝片粘接性能的原因分析

根据机械胶接理论[8]，对粘接材料表面进行打磨、喷砂，增加粘接的真实表面积，使胶黏剂通过锚钩和包结作用连结起来，就可以提高机械胶接力，提高粘接强度。

另外，从材料角度来看，ZN－1材料是丁基橡胶与酚醛树脂的共混物，胶黏剂为环氧－聚酰胺的共聚物。ZN-1材料的橡胶部分与胶黏剂的极性相差较大，相容性较差，彼此之间只有诱导力和色散力的作用，而酚醛树脂则与胶黏剂相容性较好，因此对ZN－1胶片表面进行处理，提高其与胶黏剂的相容性，并引入其它分子间作用力，如取向力、氢键，可以大大提高材料的粘接性能。

据此分析，甲苯清洗橡胶表面没有改变粘接面积，却降低了橡胶表面与胶黏剂之间的相容性。因为甲苯沸点较高，在采用自然干燥的情况下，很容易导致甲苯残留，从而使胶黏剂与橡胶之间的粘接性能大大降低。

而橡胶表面用砂纸打磨后，增加了粘接表面积，提高了粘接强度，但因打磨为手工操作，且橡胶为黏弹性体，造成表面打磨不匀，因此提高幅度有限。

因172℃热风处理、K2Cr2O7－H2SO4处理能够使橡胶粘接强度达到最高，对这两种处理方法着重进行了分析。

图2（a）～（b）为空白样、172℃热风处理、K2Cr2O7-H2SO4处理胶片的电镜照片。从电镜扫描图可以看出，热风处理的试片表面布满了均匀一致的微孔，K2Cr2O7－H2SO4处理则使橡胶表面发生了腐蚀，因而增大了橡胶粘接面积。

图2 不同方法处理橡胶的电镜扫描图Fig.2 SEM images of ZN-1 damping material treated by different methods

对空白样、172℃热风处理、K2Cr2O7－H2SO4处理橡胶片进行了红外光谱分析（图3）。

图3 不同方法处理后ZN-1材料的红外光谱（1－空白样；2－172℃热风处理2h；3－K2Cr2O7－H2SO4处理）Fig.3 The infrared spectrum of ZN-1 material treated by different methods（1-untreated；2-blown with hot wind at 172℃ for 2h；3-immersed in K2Cr2O7－H2SO4solution）

从图3可以看出，测试的3种样品主要特征峰基本相似，但强度有所差别。其中2889cm-1、2950cm-1，1450cm-1、1365cm-1的烷基吸收峰，1220cm-1酚C-O吸收峰、1734cm-1增塑剂癸二酸二异辛酯的羰基吸收峰强度4种样品基本相同，而3300cm-1的羟基缔合峰，1650cm-1、1600cm-1处的芳环骨架吸收峰，1125cm-1处的C-O-C吸收峰强度除了K2Cr2O7-H2SO4处理试样比较高以外，其他2种试样基本相同。

参照溴化对特辛基酚醛树脂的红外特征峰（图4），可以将K2Cr2O7－H2SO4处理试样的部分官能团峰强较高归于树脂在材料表面的局部富集。这表明，高温热处理没有使橡胶表面官能团发生变化，而K2Cr2O7－H2SO4处理的试样表面则发生了化学氧化反应，橡胶降解成为了小分子，不仅增加了材料表面粗糙度，而且表面裸露出交联的溴化酚醛树脂芳环骨架及其所携带的含氧官能团，改善了与胶黏剂之间的相容性，使粘接强度上升。

图4 溴化对特辛基酚醛树脂红外光谱Fig.4 The infrared spectrum of bromomethyl－p－tert－octyl phenol formaldehyde resin

对3种试样进行了力学性能测试，数据见表2。

表2 ZN－1材料力学性能数据Table 2 The mechanical performance data of ZN－1 damping material

对空白样、热风处理、K2Cr2O7－H2SO4处理的ZN-1材料进行了动态力学性能分析，如图5所示。

由表2及图5的结果表明，热风处理试样表现为材料拉伸强度、硬度上升,弹性剪切模量增大,阻尼峰的最高点向高温移动，表明材料本征性能发生了变化。而K2Cr2O7－H2SO4处理的试样与空白样的力学性能、阻尼性能基本相同，表明K2Cr2O7－H2SO4处理发生的反应只发生在材料表面。

图5 不同方法处理后材料的ZN－1材料阻尼温谱（1－172℃热风处理2h；2－空白样；3－K2Cr2O7－H2SO4处理）Fig.5 The damping－temperature curves of ZN－1 material treated by different methods（1－blown with hot wind at 172℃ for 2h；2－untreated；3－immersed in K2Cr2O7－H2SO4solution）

3 结论

影响ZN-1材料粘接性能的主要因素在于材料表面粗糙度及官能团状态，热风处理可以使材料表面产生均匀的微观孔隙结构，K2Cr2O7－H2SO4处理可以增大表面粗糙度，改变材料表面官能团状态，从而提高机械胶接力或氢键力，使材料粘接强度达到橡胶本体破坏的程度。

［1］赵云峰.ZN系列粘弹性阻尼材料性能及应用［J］.宇航材料工艺，2001；31（2）：19～23.

［2］赵云峰.高性能黏弹性阻尼材料及其应用［J］.宇航材料工艺，2009，39（5）：1～6.

［3］潘坚，雷治大.阻尼减震技术在航天领域中的实践［J］.宇航材料工艺，1991（4）：87～90.

［4］潘坚.ZN－1阻尼材料的特殊性能［J］.宇航材料工艺，1998.（5）：34～36.

［5］尚蕾，田春蓉.ZN－1阻尼材料的粘接工艺研究［J］.粘接，2003，24（3）：13～15.

［6］田春蓉，刘静.铝/ZN－1阻尼材料复合结构件的粘接技术研究［J］.宇航材料工艺，2005（1）：52～55.

［7］田春蓉，刘静等.表面处理工艺对ZN－1阻尼材料粘接性能的影响［J］.宇航材料工艺，2006，增刊1：79～83.

［8］陈道义，张军营.胶接基本原理［M］.北京：科学出版社，1992.

Study on Bonding Strength of ZN-1 Damping Material with Different Surface Treatments

ZHU Jun,LING Ming-bo and ZHAO Yun-feng
（Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076,China）

s:In order to improve the bonding strength between the ZN-1 damping material and the duralumin,various pre-treatments were used before applying epoxy adhesive.It showed that the traditional treatments,such as polishing or washing the surface of ZN-1 material were useless for the bonding strength.In contrast,after immersing it in K2Cr2O7-H2SO4solution or blowing it with hot wind at 172℃,its bond failure could reach a degree which could destroy the rubber itself.The infrared spectrum and SEM observations indicated that these two approaches had made the surface roughness of rubber increase,thus the bonding strength was improved.And the K2Cr2O7-H2SO4solution treatment also increased the oxygen-containing functional groups on the surface of ZN-1 damping material,therefore the bonding strength which was over 2.0MPa was obtained.

ZN-1 damping material;surface treatment;tensile and shearing strength;adhesion

TQ330.387

A

1001-0017（2014）03-0184-04

2014-03-04

朱军（1969-），男，江苏扬州人，博士研究生，高级工程师，从事阻尼减振、密封及橡胶方面研究工作。