表面处理对超高相对分子质量聚乙烯与金属黏接性能影响的研究

吴苏炜

（合肥通用机械研究院，安徽省合肥市 230088）

表面处理对超高相对分子质量聚乙烯与金属黏接性能影响的研究

吴苏炜

（合肥通用机械研究院，安徽省合肥市 230088）

超高相对分子质量聚乙烯与金属的黏接主要依靠表面黏附，表面处理是影响黏接质量的重要因素。对超高相对分子质量聚乙烯和金属分别采用不同的表面处理方法进行处理，处理完成后进行黏接得到黏接试件，测试各组试件的黏接强度，得到黏接效果最好的一组。实验证明：采用化学方法处理后的试件黏接强度最好，黏接强度是经过简单表面清理试样的2.8倍。

超高相对分子质量 聚乙烯 表面处理 黏接性能

超高相对分子质量聚乙烯是一种性能优异的工程塑料，具有很好的耐磨损、抗冲击及耐化学药品腐蚀等性能［1-2］。超高相对分子质量聚乙烯和金属传统的连接方法包括螺纹连接和铆接。但是在一些特殊要求场合，例如需要保证密封性及需要减轻整体结构重量的场合需要使用胶黏剂对金属和超高相对分子质量聚乙烯进行连接。

金属和超高相对分子质量聚乙烯的黏接主要依靠表面黏附，被黏接材料表面处理的质量是影响黏接强度及黏接寿命的重要因素之一。实际应用中，使用同一种胶黏剂或者采用相同胶接接头形式，但表面处理方法不同，最终得到试件的黏接效果相差很大。常用的表面处理方法有物理方法和化学方法，其中常用的物理方法有砂纸打磨、喷砂、脱脂除油等，除此之外还有等离子处理法、偶联剂处理法、辐射接枝处理法等［3-7］。

1 实验部分

1.1 原料和设备

金属材料为不锈钢O22Cr17Ni12Mo2，试件形状与搭接形式见图1，搭接形式为单搭接。实验设备为非惯性型的电子式拉力实验机，实验时，对试件的搭接面施加纵向的拉伸剪切力，测出试件所受的破坏载荷数值，由此可计算出该试件的拉伸剪切强度。 实验中的胶黏剂选择J-19。

图1 试件的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of samples

1.2 实验条件

各组试件的实验环境及存放的时间应当满足GB/T 6329—1996和GB/T 2918—1998的要求：试件制备完成至实验开始时最短的存放时间不得低于16.0 h，最长的存放时间不得高于30天；实验温度要求在（23±2）℃，实验相对湿度要求在45%～55%；对于只有温度要求的实验，试件在实验温度下放置的时间不得少于0.5 h；对于既有湿度又有温度的实验，试件在这种环境下放置的时间不得少于16.0 h。

1.3 金属试件的表面处理

将金属试件分成5组，其中1组试件表面不进行任何处理，其余4组试件分别采用不同表面处理方法，各组超高相对分子质量聚乙烯试件均采用化学方法进行表面处理。实验时，分别测试各组试件在标准状态下的拉伸剪切强度并记录数据。

对金属试件采用的表面处理方法分别是：1）简易清理。使用清水、毛刷等进行表面清理，完成后使用纱布擦净并烘干。2）除油脱脂。按m（NaOH）∶m（H2O）为1∶12配制NaOH清理溶液，将金属试件在溶液中浸泡20 min，取出试件后水洗，擦净并烘干。3）机械打磨。使用100#金刚砂纸对试件打磨，完成后水洗，擦净并烘干。4）化学处理。对不锈钢试件表面易形成的氧化成分（FeO，Fe2O3，Fe3O4）进行酸洗去除。处理方法见表1。分两步进行，处理完成后取出试件水洗，擦净并烘干。

1.4 超高相对分子质量聚乙烯试件的表面处理

将超高相对分子质量聚乙烯试件分成5组，其中1组试件表面不进行任何处理作为对比组，其余4组分别采用不同的表面处理方法进行处理，金属试件均采用化学处理方法进行表面处理。实验时，分别测试各组试件在标准状态下的拉伸剪切强度并记录数据。对超高相对分子质量聚乙烯试件采用的表面处理方法分别是：1）简易清理。表面处理方法与金属试件表面处理方法相同。2）脱脂处理。将试件浸泡在丙酮溶液中5 min，取出后水洗，擦拭干净并烘干。3）偶联剂处理。偶联剂采用常用的硅烷类偶联剂乙烯基硅氧烷，并将其配成质量分数2%的乙醇溶液；将配制的溶液涂抹在超高相对分子质量聚乙烯表面，然后放置在70 ℃的条件下干燥45 min。4）化学处理。依据m（K2Cr2O7）∶m（98%H2SO4）∶m（H2O）=1∶11∶8配制重铬酸处理液，配制完成后将试件在室温下浸泡在溶液中90 min，取出后水洗，擦拭干净并烘干。

表1 不锈钢试件处理方法Tab.1 Treatments of stainless steel samples

2 结果与讨论

2.1 金属试件不同表面处理后的测试

从图2看出：各组试件中黏接效果最好的是经化学方法处理后得到的试件，拉伸剪切强度最高可达30.7 MPa；黏接效果最差的是不做任何表面处理的试件，拉伸剪切强度仅为7.3 MPa。由上述数据可知，采用化学方法处理得到的试件的拉伸剪切强度是不做表面处理试件的4.2倍，是采用简易方法表面处理试件的2.8倍。

2.2 超高相对分子质量聚乙烯试件不同表面处理后的测试

图2 各组金属试件表面处理后的黏接强度Fig.2 Adhesive strength of each metal specimen after surface treatment

从图3看出：经化学方法处理后得到试件的抗剪切强度最高，达32.3 MPa，黏接的效果最好，是不做表面处理试件拉伸剪切强度的7.7倍。同时，实验过程中找到化学方法最佳的处理时间和配比。

2.3 时间对超高相对分子质量聚乙烯试件表面处理效果的影响

图3 超高相对分子质量聚乙烯试件表面处理后的黏接强度Fig.3 Adhesive strength of each UHMWPE specimens after surface treatment

由以上两组实验可知，表面处理后黏接效果最好的方法是化学处理方法，但是不同的时间对处理的效果产生较大的影响。从图4看出：对超高相对分子质量聚乙烯试件的处理时间并不是越长越好，合适的处理时间可增强黏接的效果，但是超过一定时间，试件的黏接强度会随之下降。对金属试件处理的最佳时间一般在45～60 min，而对超高相对分子质量聚乙烯试件最佳的处理时间范围是90～120 min。分析原因可知，采用化学方法对超高相对分子质量聚乙烯表面进行处理的实质是对其表面氧化，但是过度处理就会使产生的氧化层脱落，影响黏接的效果。

2.4 铬酸浓度对超高相对分子质量聚乙烯试件表面处理产生的影响

图4 处理时间对黏接效果的影响Fig.4 Influence of treating time on adhesive effect

从图5看出：铬酸处理液浓度同样影响超高相对分子质量聚乙烯表面处理效果。处理液合适的浓度配比可增强黏接的效果，浓度过高和过低均达不到理想的效果。实验中，当铬酸的质量分数达到60%～70%时，处理的效果可达最佳。

图5 铬酸处理液浓度对黏接效果的影响Fig.5 Influence of Chromate treatment solution on adhesive effect

3 结论

a）分别经化学方法处理后的金属试件和超高相对分子量聚乙烯试件形成的黏结试件的拉伸剪切强度为30.7 MPa，是采用简易方法进行表面处理试件的2.8倍，是不经过表面处理试件的4.2倍。另外一组分别经过化学方法处理后的超高相对分子质量聚乙烯试件与金属试件形成的黏结试件的拉伸剪切强度同样得到明显提高，达到32.3 MPa，比经过偶联剂处理后试件的拉伸剪切强度略高，是未经过任何表面处理试件拉伸剪切强度的7.7倍。

b）改变化学处理时间和化学处理液的配比会对试件黏接性能产生影响，对超高相对分子质量聚乙烯试件进行化学处理的最佳时间在90～120 min，铬酸处理液最佳的质量分数是60%～70%。

［1］ 桂祖桐. 聚乙烯树脂及其应用［M］. 北京：化学工业出版社材料科学与工程出版中心，2002： 1-30.

［2］ 刘广建. 超高分子量聚乙烯［M］. 北京：化学工业出版社，2001： 1-7.

［3］ 李子东，李广宇，刘志军，等. 实用胶粘技术［M］. 北京：国防工业出版社，2007： 351-405.

［4］ 程时远， 李盛彪， 黄世强. 胶黏剂 ［M］. 北京：化学工业出版社，2008：1-22.

［5］ 张振英，杨淑丽. 塑料、橡胶用胶黏剂［M］. 北京：中国石化出版社，2005： 1-7.

［6］ 李和平. 胶黏剂生产原理和技术［M］. 北京：化学工业出版社，2009： 16-61.

［7］ 张玉龙，李长德，邢德林，等. 金属用胶黏剂［M］. 北京：中国石化出版社，2004： 1-8.

Effects of surface treatments on bonding properties of ultrahigh molecular weight polyethylene and metal

Wu Suwei

（Hefei General Machinery Research Institute， Hefei 230088， China）

The bonding of metal and ultrahigh molecular weight polyethylene mainly depends on the surface adhesion， therefore， surface treatment plays an important role in affecting the bonding properties. Different methods were used on ultrahigh molecular weight polyethylene and metal to obtain different test samples， among which the best bonding sample was obtained after testing the adhesive strength of each sample. The sample by chemical treatment proves to have the best bonding strength， which is 2.8 times that of the sample whose surface was cleaned simply.

ultrahigh molecular weight；polyethylene；surface treatments； bonding properties

TQ 325.1

B

1002-1396（2016）01-0065-03

2015-08-18；

2015-11-04。

吴苏炜，男，1989年生，硕士，助理工程师，2011年毕业于北京化工大学，现从事机械设计工作。联系电话：（0551）65335497，15256916330；E-mail：wu_ suwei@sina.com。