[轉(zhuǎn)帖]PE/UP FRP的粘接問題

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PE／UPR玻璃鋼界面粘接研究<br>中國航天科技集團(tuán)第四研究院43研究所<br>周文英 谷宏治 沱彥謀 寇靜利<br> <br>1前言<br>    隨著水處理行業(yè)急劇發(fā)展，環(huán)保型玻璃鋼／聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)水處理容器用途日益廣泛，水處理容器采用聚乙烯（PE）作為內(nèi)膽，殼體采用玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂（UPR）濕法經(jīng)縱、環(huán)向纏繞殼體厚度約1－3mm。復(fù)合結(jié)構(gòu)水處理容器結(jié)構(gòu)形狀見示圖1。聚乙烯塑料因卓越的耐化學(xué)腐蝕性、良好耐沖擊性能、成本低廉及成型加工簡便是作為水處理容器內(nèi)膽的首選材料。不飽和聚酯樹脂具有較優(yōu)良力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性能，且價格低，加工工藝簡單，常溫常壓下固化成型無副產(chǎn)物，粘度較低等特點，適合水容器纖維纏繞成型，它能充分發(fā)揮樹脂基體中連續(xù)纖維的高強特性。纖維纏繞結(jié)構(gòu)的方向強度比可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計。通過嚴(yán)格控制線型纖維方向，使得全部主應(yīng)力均由受拉纖維承擔(dān)，在結(jié)構(gòu)的任何方向上，載荷要求的強度都能與材料提供的實際強度相適應(yīng)，從而獲得復(fù)合結(jié)構(gòu)型高強度內(nèi)壓力容器，滿足設(shè)計屆用要求。<br>    聚乙烯作為水容器內(nèi)膽使用時，不可避免地涉及到PE塑料同纏繞層之間的粘接問題，PE屬于難粘材料，表面呈惰性，目前極少有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。UPR因固化后收縮率很大，粘接性差，無法作為PE膠粘劑使用，因此纏繞復(fù)合材料殼體很快與PE內(nèi)膽脫粘、分離，導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)水容器受力時內(nèi)膽和殼體無法協(xié)同受力。相互間界面分離對其使用性能影響很大。<br>    國外水處理容器內(nèi)膽常采用ABS、PE材料，殼體采用環(huán)氧樹脂極璃纖維纏繞而成，由于其內(nèi)膽上涂有一種專用膠粘劑，又因ABS和環(huán)氧樹脂粘接性能很好，所以國外水必理容器對此脫粘問題解決得很好。<br>    內(nèi)膽與纏繞層之間良好粘接既能提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的韌性和耐沖擊性能，又能保證剛性和強度。還有利于提高水容器外觀質(zhì)量、使用壽命及纏繞層力學(xué)性能發(fā)揮有很重要意義。據(jù)了解目前國內(nèi)水處理容器廠家至今均沒有解決此脫粘難題。<br>2  脫粘原因分析<br>    經(jīng)分析將水處理容器內(nèi)膽／纏繞層脫粘要主原因歸納為以下三點：<br>    2．1聚乙烯塑料自身的難粘性<br>    聚乙烯塑料后于難粘材料，主要是由以下原因造成的：a．表面能低，臨界表面張力只有（31－34）× 10－5N／cm，因而其水接觸角大，印墨、膠粘劑不能充分潤濕PE基材。b．聚乙烯是非極性高分子材料，分子上沒有任何極性基因，結(jié)構(gòu)對稱性好，膠粘劑吸附在其表面，只能形成較弱的色散力。C．聚乙烯結(jié)晶度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，溶脹和溶解比非結(jié)晶高分子困難，當(dāng)溶劑性膠粘劑涂在其表面，很難發(fā)生高聚物分子鏈成鏈或相互擴(kuò)散、纏結(jié)。d．聚乙烯表面存在弱邊界層，弱邊界層的存在造成材料表面粘接性差。綜上所述，聚乙烯粘接性能極差，且目前市面很少發(fā)現(xiàn)有特效膠粘劑能夠粘牢聚乙烯。<br>    2．2不飽和聚酯樹脂粘接性差<br>    UPR因固經(jīng)后收縮率很大，故粘接性很差，通常很少作為膠粘劑使用，所以根本無法粘接PE材料。<br>    2．3兩者性能差別及外界影響<br>    PE內(nèi)膽是熱塑性材料，韌性好，易變形，但剛性低。UPR玻璃鋼是熱固性材料，韌性差，變形量小，剛性大。二者熱膨脹系數(shù)相差很大，所以適合粘接二者的膠粘劑必須要能夠經(jīng)受住由于較大范圍溫度變化引起的熱膨脹不均一而造成的粘接界面脫離。此外水處理容器常年受到變化的內(nèi)壓作用，內(nèi)壓變化很快，迫使內(nèi)膽和纏繞層時刻受到變化的內(nèi)壓作用而發(fā)生相應(yīng)形變，因二者變形能力相差很大，所以易造成粘接界面脫粘。<br>    以上分析也就是為什么目前國內(nèi)水容器廠家沒有解決內(nèi)膽/纏繞層脫粘難題的原因。<br>3  解決方案<br>    針對聚乙烯表面分子極性低、粘接特點，進(jìn)行粘接時，人們經(jīng)常對聚乙烯采取了多種表面改性方法：通過化學(xué)、氣體熱氧化、火焰處理、電暈、低溫等離子技術(shù)動化學(xué)、表面改性劑等方法進(jìn)行表面處理以在其表面分子鏈中引入極性基團(tuán)從而提高粘接性能。常規(guī)的處理方法雖然很多，但幾乎沒有一項適用于水容器內(nèi)膽處理。要么設(shè)備成本太高，要么周期過長根本不適合水容器生產(chǎn)需求。鑒于實際生產(chǎn)和成本情況，本文擬選用一種化學(xué)表面處理液，首先能夠破壞PE，然后使UPR粘接此膠粘劑。<br>    3．1膠粘劉選擇<br>    由于聚乙烯是非極性材料，韌性好，剛性差，所以應(yīng)選擇像丙烯酸酯膠、改性橡膠、塑料膠等弱極性膠粘劑，或用能溶解被粘物的溶劑，如三氯甲烷、二氯乙烷等。由于內(nèi)膽與纏繞層經(jīng)常受到剝離力、不均勻扯離力、剪切力作用，故要求膠粘劑必須具有一定韌性才能緩沖兩種被粘物由于可挽曲性和熱膨脹性差異在膠層界面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。此外，粘接時應(yīng)遵循應(yīng)力最小原則。由于PE和UPR玻璃鋼彈性模量不同，受力時應(yīng)變也不同，要滿足應(yīng)力最小原則，必須使膠粘劑的彈性模量和應(yīng)變分完偽PE和UPR玻璃鋼各自彈性模量和應(yīng)變之和的平均值。為此，前后選擇了大約6種適合聚乙烯粘接的膠粘劑。考慮到價格、粘接強度及長期抗疲勞破壞能力、粘度、是否影響UPR固化、固化快慢、毒性大小等影響因素，優(yōu)先選擇了浙江金鵬化工公司的SG－P－10底涂處理劑和改性ɑ一氰基丙烯酸酯類快平型膠粘劑。<br>    3．2PE與UPR玻口鋼粘接機理<br>    聚乙烯塑料屬于難粘材料，聚乙烯含有低強度的含氧雜質(zhì)或低分子物質(zhì)，在其粘接界面存在著使粘接強度降低的弱邊界層。此外，絕大多數(shù)膠粘劑的表面張力大于聚乙烯，使得膠粘劑無法潤濕聚乙烯表面，不能使兩材料界面形成分子接觸，產(chǎn)生界面分子間作用力，所以粘接界面承受的破壞應(yīng)力很少。SG-P-10底涂處理聚乙烯表面后，破壞了致密的惰性表面，在其表面形成很多活性點，消除了弱邊界層。使得改性ɑ一氰基丙烯酸酯易于潤濕聚乙烯表面，兩者形成面接觸，產(chǎn)生分子間作用力。所以SG-P-10底涂處理劑配用改性ɑ一氰基丙烯酸酯類膠粘性，使膠粘劑單體促進(jìn)劑與聚合物產(chǎn)生滲透、互穿、交聯(lián)作用，形成與被粘物分子鏈的纏結(jié)，獲得高粘接力。粘接拉伸剪切強度達(dá)8．OMPa以上，幾乎達(dá)到PE材料的破壞強度。待ɑ一氰基丙烯酸酯固化后，在PE內(nèi)膽上濕法纏繞浸透UPR膠的玻璃纖維。UPR膠含量約25％左右，UPR在a-氰基丙烯酸酯表面固化、粘接，固化壓力由纏繞張力（約 10 Kgf）施加。因玻璃纖維含量高，所以UPR收縮率很低，UPR極容易粘牢ɑ-氰基丙烯酸酯。此外ɑ-氰基丙烯酯對UPR固化無任何影響，因此二者界面粘接強度很高，結(jié)果在低模量的聚乙烯與高模量的玻璃鋼之間，膠粘劑過渡層形成了模量梯度，減少了復(fù)合結(jié)構(gòu)受力時的應(yīng)力集中，使得PE／UPR玻璃鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)型水處理容器獲得良好的力學(xué)性能。<br>4  粘接工藝實驗與結(jié)果<br>    4．l 粘接工藝過程<br>    聚乙烯具有密實的非極性情性表面，如未對其表面進(jìn)行處理，膠粘劑對之不產(chǎn)生機械或化學(xué)粘接力，所以必須進(jìn)行表面處理。先用自來水清洗內(nèi)膽。再用清潔棉紗擦干凈聚乙烯內(nèi)膽外表面所附著的灰塵、油污、脫模劑及其它吸附化學(xué)污染物，最后用丙酮進(jìn)一步清潔表面，等西酮揮發(fā)完后待用。將SG－P－10底涂處理劑均勻涂于清潔過的內(nèi)膽上，10－15分鐘后，均勻涂敷改性ɑ一氰基丙烯酸酯，涼置25分鐘，待溶劑揮發(fā)，膠粘劑固化后，將內(nèi)膽置于纏繞機上，進(jìn)行UPR/璃纖維濕法纏繞，完畢，靜置6－10小時，凝膠、固化后，轉(zhuǎn)入固化爐進(jìn)一步團(tuán)化。<br>    4．2  粘接結(jié)果<br>    參照水處理容器實際使用情況進(jìn)行模擬試驗，以此來評價粘接效果。<br>    4．2．l熱應(yīng)力試驗<br>    聚乙烯塑料與UPR玻璃鋼熱膨脹系數(shù)相差很大，受熱膨脹或收縮時，因膨脹系數(shù)差異大很容易發(fā)生粘接界面脫離。將固化好的水處理容器連續(xù)10天反復(fù)在室溫至60℃溫度范圍進(jìn)行實驗，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)脫粘。隨后放置在80℃烘房中烘烤10小時，然后驟冷，第二天發(fā)現(xiàn)少許脫粘現(xiàn)象，但脫粘部分不連續(xù)，證明此膠粘劑能夠牢固粘住PE和UPR玻璃鋼，并且能夠經(jīng)受住熱應(yīng)力作用。<br>    4．2．2內(nèi)壓疲勞試驗<br>    將團(tuán)化好的水處理容器在0－0．6MPa循環(huán)壓力下做疲勞受力實驗，考驗內(nèi)膽與纏繞層受力時因變形能力不同而抗界面脫層分離能力。試驗表明經(jīng)歷3萬多次未發(fā)現(xiàn)界面層脫粘現(xiàn)象。表明該膠粘劑能夠充分緩沖兩個不同材料界面差異而造成的內(nèi)應(yīng)力，適合水處理容器內(nèi)膽與纏繞層之間粘接使用。<br>5  結(jié)論<br>    本文將選用的SG一P－10底涂處理劑及改性ɑ一氰基丙烯酸酯膠粘劑成功地用于水處理容器PE內(nèi)膽和UPR玻璃鋼纏繞層之間的粘接，試驗證明二者之間粘接牢固，能夠經(jīng)受住熱應(yīng)力和內(nèi)壓力疲勞而不脫粘。該膠粘度低，施工工藝簡單。此外，內(nèi)膽與纏繞層之間的良好粘接既提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)水處理容器的韌性和耐沖擊性能，又保證了剛性和強度，成功地解決了復(fù)合結(jié)構(gòu)水處理容器內(nèi)膽和殼體協(xié)同受力問題。對于提高水容器外觀質(zhì)量、使用壽命及纏繞層力學(xué)性能發(fā)揮有很重要意義。<br> <br> <br>

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早看過了！應(yīng)該是廣告吧

chihon

別說空的,你們超碼罐體現(xiàn)在還沒解決粘接問題.
討厭靠這些空的,虛的吃飯的人.

鄧海岸

世界性難題就這么容易解決？高，實在是高。
請問哪位先生做這樣的內(nèi)膽的？pe或abs的都可以。

纏繞

要解決這個問題，除了考慮樹脂與PE或ABS的粘合力，還得從PE或ABS的收宿率入手。要很好的控制熱塑性塑料的收宿率，就得很好的控制塑料成型過程的工藝參數(shù)。不過影響塑料收宿率的因素很多，不易控制。即使國外的同類產(chǎn)品也存在同樣的問題。

chihon

國外已經(jīng)解決了,不用那么費心.
國內(nèi)還在研究,別人已用好多年了.美,德,日,英.

纏繞

一般各公司賣到市場上的產(chǎn)品都不存粘接不好的問題.因為有此類的產(chǎn)品就作為報廢品了.我曾經(jīng)聽說過國外某家公司這樣的報廢品也很多的.他們可以說他們的產(chǎn)品不存在這樣的問題.但并不意味著他們在生產(chǎn)時就沒有這類情況.至少具我所知的幾家國外的公司就沒徹底解決這個問題. 還有一個問題就是在什么樣的情況下,產(chǎn)品百分百會出現(xiàn)分層的問題.因為在生產(chǎn)過程中總歸是少數(shù)產(chǎn)品存在這個問題,而不是全部產(chǎn)品都有這個問題.如果不把這個問題搞清楚,那么樓主論文中所做的實驗都是無意義的.有可能你做實驗的那個產(chǎn)品既使不用你所說的粘接劑也不會出現(xiàn)分層的現(xiàn)象.

且聽風(fēng)吟

一般不是用HPE嗎。我不清楚HDPE的情況怎么樣。但據(jù)我所知，國外有做LPG的氣瓶，就是HDPE外纏繞玻璃纖維，承壓3MPA，用來裝液化石油氣。這樣的氣瓶，在外面是能夠看到里面的液位線的。聽說這家廠一年產(chǎn)量幾十萬個。我想人家肯定解決了這個問題。不知道大家知道人家怎么處理的不。

lwhlyd01

內(nèi)膽的剛度和尺寸穩(wěn)定性是主要的，粘接不粘接的無所謂。這個行業(yè)國外也沒有人去花昂貴的成本去實現(xiàn)PE與不飽和聚酯的粘接。真是的原因是材料的尺寸穩(wěn)定性不好，內(nèi)膽剛度不夠。內(nèi)膽太薄或材料太差是不行的。

lwhlyd01

國外的LPG瓶內(nèi)膽材料不是PE，是PET，是聚對苯二甲酸乙二醇酯。復(fù)合LPG瓶有Ragasco和Compozit Praha在生產(chǎn)，分別在瑞士和捷克