超高分子量聚乙烯的新型粘接体系及摩擦学负荷对其粘接性能影响的研究

论文摘要

要制备出有工业应用价值的粘接型超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合摩擦学材料,关键是解决好UHMWPE与金属材料的可靠粘接问题。根据粘接理论,为了解决UHMWPE这类低表面能聚合物材料的粘接问题,本文设计了三种粘接体系:①对UHMWPE常温化学表面处理后采用普通商用胶粘剂粘接的体系,②使用底涂层的2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂粘接的体系,③自蚀刻超UHMWPE界面的胶粘剂体系。研制成功一种适用于UHMWPE粘接前处理的有机氧化剂+有机还原剂常温处理体系,其优化的配方为过氧化甲乙酮（100 wt.%）+二茂铁（6 wt.%）。使用这种常温处理体系对UHMWPE表面进行常温化学处理后,采用商用丙烯酸结构胶粘接UHMWPE同类材料获得的拉伸剪切粘接强度为3.59MPa,是采用最常用的硫酸-重铬酸钾表面处理液高温处理的UHMWPE/UHMWPE拉伸剪切粘接强度的2.6倍。这种体系常温处理UHMWPE增强粘接强度的机理是,化学处理使UHMWPE表面产生腐蚀和刻蚀,增加了胶粘层与UHMWPE表面间的锚固作用。水和润滑油长期浸泡致使这种常温化学处理的UHMWPE与各种工程材料粘接的粘接强度的下降最大不超过15%。研制成功适于作为UHMWPE胶粘剂的增稠2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其配套的底胶。2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂改性的关键是加入1.5 wt.%三羟甲基丙烷烯丙基醚,改性后的胶粘剂的耐热、耐水性能明显改进。底胶中的最佳有效成分是三苯基膦,它的最佳浓度为0.1 wt.%;底胶中添加2wt.%N99添加剂对抑制底胶储存过程中含水量增加有效,使底胶的储存期达到6个月;选择1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷和丙酮的混合溶液（1:1）作为底胶溶剂有效改进了底胶对低表面能材料的润湿性。涂覆这种底胶后,使包括UHMWPE在内的低表面能材料的表面能增大,因而改善了 2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂对包括UHMWPE在内的低表面能材料的润湿性,有利于提高粘接强度。使用这种增稠2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其配套的底胶对UHMWPE同类材料进行粘接,获得UHMWPE/UHMWPE的拉伸剪切粘接强度为7.80MP。润滑油对上述粘接体系的粘接性能影响不大。但上述粘接体系耐水性比较差。研制成功适用于UHMWPE粘接的双组分自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂。其甲组分是优化配方的丙烯酸酯结构胶,它在配方设计上的主要创新是加入了适当量的溴化铜缓聚剂,能在甲、乙组分混合后控制引发剂产生自由基的时间,有效延长粘接作业时的可操作时间,而又不牺牲粘接效果。这种自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂与文献报道的国内外同类胶粘剂相比,粘接作业时的可操作时间有大幅提高,达到了 20 min,而文献报道的国内外同类胶粘剂的可操作时间仅有数分钟。自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂的乙组分是三乙基硼乙二胺引发剂,它在配方设计上的主要创新是获得了在三乙基硼乙二胺引发剂中添加阻聚剂和抗氧剂的种类及其最佳添加量,能在大幅增加三乙基硼乙二胺引发剂的储存安定性的同时,保证引发剂的化学结构无变化。这一独特配方的三乙基硼乙二胺引发剂的储存期是国外专利介绍的同类引发剂储存期的18倍。在无需对UHMWPE做前处理的条件下,采用这种自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂对UHMWPE与UHMWPE同类材料以及其它各种常用工程材料进行粘接,室温固化24h后,获得UHMWPE/UHMWPE的拉伸剪切粘接强度为8.70MPa,UHMWPE/45 号钢为 8.85MPa,UHMWPE/铝合金为 8.68MPa,UHMWPE/陶瓷为8.62MPa,UHMWPE/不锈钢为8.28MPa;所获得的各类粘接偶件在水或润滑油中浸泡240h后,拉伸剪切粘接强度的最大下降幅度为21%。而采用这种自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂对其它低表面能塑料进行粘接,也可获得好的粘接效果;对其它低表面能塑料进行粘接获得的拉伸剪切粘接强度数据要高于文献报道的国内外同类胶粘剂的数据。通过实验及理论研究,提出本文所研制的自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂粘接UHMWPE获得好的粘接效果的机理是:以三乙基硼乙二胺络合物为有效成分的引发剂在引发丙烯酸酯结构胶聚合固化的化学过程中,在对UHMWPE产生粘接作用的同时,使低表面能的UHMWPE被粘接表面发生了一系列有利于粘接效果提高的物理、化学变化,包括被粘接表面被有效蚀刻、被引入羧酸基团、极性增大、表面能增高;而三乙基硼已二胺络合物引发剂与丙烯酸酯结构胶混合后发生的一系列化学过程,产生了独特的界面聚合反应,使聚合收缩方向向着界面,当有外力作用时,粘接体系趋向于内聚破坏而不是趋向界面破坏,是这种胶粘剂体系具有对低表面能材料优异粘接能力的主要因素。设计了往复摩擦类型摩擦学负荷对UHMWPE粘接性能影响的实验方法和射流式磨料冲蚀类型摩擦学负荷对UHMWPE粘接性能影响的实验方法。油润滑条件下的往复摩擦类型摩擦学负荷形成的对粘接界面1.08×106次往复剪切循环,对采用所研制的2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其底胶或采用所研制的自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂粘接UHMWPE和钢所制备的两类粘接型UHMWPE复合材料的拉伸剪切粘接强度影响有限,其拉伸剪切粘接强度下降都不超过7%。表明这两类粘接型UHMWPE复合材料都可以用于油润滑的的往复摩擦场合,而后者的可靠性更高。射流式磨料冲蚀类型摩擦学负荷对采用所研制的自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂粘接UHMWPE和钢所制备的粘接型UHMWPE复合材料的影响有限。采用每一周期l00h中,冲蚀lh,水浸泡99h的过程;在经历了 4个周期（400h）实验后,其拉伸粘接强度下降9%。表明这类粘接型UHMWPE复合材料可以用于高压水射流磨料冲蚀的场合。射流式磨料冲蚀类型摩擦学负荷对采用所研制的2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其底胶粘接UHMWPE和钢所制备的粘接型UHMWPE复合材料的影响很大,这类粘接型UHMWPE复合材料不可以用于高压水射流磨料冲蚀的场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 超高分子量聚乙烯的性能与应用
• 1.2.1 超高分子量聚乙烯的性能
• 1.2.2 超高分子量聚乙烯的应用
• 1.3 超高分子量聚乙烯的使用局限
• 1.4 超高分子量聚乙烯粘接困难的原因
• 1.5 粘接超高分子量聚乙烯的研究现状
• 1.5.1 超高分子量聚乙烯表面处理的研究现状
• 1.5.2 低表面能材料专用胶粘剂的研究现状
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 粘接型超高分子量聚乙烯复合摩擦学材料的设计
• 2.1 摩擦学材料及新型摩擦学材料的设计
• 2.2 粘接型超高分子量聚乙烯摩擦学材料设计思路
• 2.3 超高分子量聚乙烯粘接设计目标
• 2.4 粘接理论
• 2.5 为满足摩擦学应用对超高分子量聚乙烯粘接体系的设计
• 2.5.1 对超高分子量聚乙烯常温化学表面处理后采用普通商用胶粘剂粘接的体系
• 2.5.2 使用底胶层的2-氰基丙烯酸酯胶粘剂粘接的体系
• 2.5.3 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂体系
• 2.6 本章小结
• 第三章 超高分子量聚乙烯常温化学表面处理的研究
• 3.1 前言
• 3.2 对超高分子量聚乙烯表面进行化学处理及粘接的实验
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 化学表面处理液的制备
• 3.2.3.1 硫酸-重铬酸钾表面处理液的制备
• 3.2.3.2 双组分常温表面处理液的制备
• 3.2.3.2.1 有机氧化剂+有机还原剂系列常温表面处理液的制备
• 3.2.3.2.2 无机氧化剂+无机还原剂系列常温表面处理液的制备
• 3.2.3.3 拉伸剪切粘接强度测试
• 3.2.3.3.1 测试标准及试样要求
• 3.2.3.3.2 测试试样的制备
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 无表面处理的粘接强度
• 3.3.2 硫酸-重铬酸钾液高温氧化表面处理后的粘接强度
• 3.3.3 有机氧化剂+有机还原剂系列常温氧化表面处理后的粘接强度
• 3.3.3.1 过氧化苯甲酰+N,N-二甲基苯胺体系的主要成分浓度对粘结强度的影响
• 3.3.3.2 过氧化甲乙酮+二茂铁体系的主要成分浓度对粘结强度的影响
• 3.3.4 无机氧化剂+无机还原剂体系常温氧化表面处理后的粘接强度
• 3.3.4.1 氯酸钠+氯化亚铁体系的主要成分浓度对粘结强度的影响
• 3.3.4.2 过硫酸钾+硫代硫酸钾体系的主要成分浓度对粘结强度的影响
• 3.3.5 实验结果讨论的小结
• 3.4 对经过化学处理的超高分子量聚乙烯表面的仪器分析
• 3.4.1 实验测试设备
• 3.4.2 扫描电镜分析
• 3.4.3 红外光谱分析
• 3.5 环境和粘接偶件材料对常温化学表面处理的超高分子量聚乙烯的粘接强度的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 用于粘接超高分子量聚乙烯的2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其底胶的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 实验药品
• 4.2.3 性能测试方法
• 4.2.4 用于粘接超高分子量聚乙烯的2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂及其底胶的制备
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 对2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂的改性
• 4.3.2 用于粘接超高分子量聚乙烯的2-氰基丙烯酸乙酯的配套底胶研究
• 4.4 环境和粘接偶件材料对2-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂粘接性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂研制
• 5.1 前言
• 5.2 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂的引发剂（乙组分）研制
• 5.2.1 引发剂研制的实验仪器和药品
• 5.2.1.1 引发剂研制的实验仪器
• 5.2.1.2 引发剂研制的实验药品
• 5.2.2 引发剂研制的实验和讨论
• 5.2.2.1 引发剂研制的实验
• 5.2.2.2 引发剂研制的实验结果与讨论
• 5.2.2.3 产物的表征
• 5.2.2.4 有机硼烷胺引发剂的制备5.2.3 引发剂研制小结
• 5.3 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂的甲组分研制
• 5.3.1 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂的甲组分研制实验
• 5.3.1.1 实验仪器与药品
• 5.3.1.2 拉伸剪切粘接强度测试方法
• 5.3.1.3 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂甲组分的专用原料制备
• 5.3.2 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂甲组分研制实验结果和讨论
• 5.3.2.1 甲组分的配方设计
• 5.3.2.2 粘接破坏方式
• 5.3.2.3 固化时间对粘接强度的影响
• 5.3.2.4 胶粘剂配方对粘接强度的影响
• 5.3.2.5 操作时间对粘接强度的影响
• 5.3.2.6 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂甲组分配方
• 5.3.2.7 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂粘接其它低表面能塑料的粘接强度及和国内外同体系的粘接强度比较
• 5.3.2.8 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂甲、乙组分固化前后的红外光谱分析
• 5.3.3 环境和粘接偶件材料对自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂粘接性能的影
• 5.3.4 超高分子量聚乙烯粘接偶件在水下长期浸泡的粘接耐久性预测
• 5.3.4.1 拉伸粘接强度测试方法
• 5.3.4.2 实验结果
• 5.3.4.3 实验结果讨论及粘接耐久性预测模型
• 5.3.4.4 超高分子量聚乙烯粘接偶件在水下长期浸泡的使用寿命预测
• 5.3.5 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂甲组分研制小结
• 5.4 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂的粘接机理研究
• 5.4.1 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂粘接机理研究实验
• 5.4.1.1 实验用胶粘剂、原料和试剂
• 5.4.1.2 测试试样的制备
• 5.4.1.3 测试仪器
• 5.4.2 测试和分析结果
• 5.4.3 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂粘接中的化学过程
• 5.4.4 自蚀刻超高分子量聚乙烯界面的胶粘剂的粘接机理研究小结
• 5.5 本章小结
• 第六章 摩擦学负荷对超高分子量聚乙烯粘接性能影响的研究
• 6.1 前言
• 6.2 往复摩擦类型摩擦学负荷对超高分子量聚乙烯粘接性能的影响
• 6.2.1 实验设计
• 6.2.2 往复摩擦试样制备、实验方法和实验参数
• 6.2.3 往复摩擦实验结果及讨论
• 6.3 射流式磨料冲蚀类型摩擦学负荷对超高分子量聚乙烯粘接性能的影响
• 6.3.1 实验设计
• 6.3.2 射流式磨料冲蚀试样制备、实验方法和实验参数
• 6.3.3 高压水射流磨料冲蚀实验结果及讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 论文创新点及今后工作展望
• 7.1 本论文的创新点
• 7.2 今后工作的展望
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附件1: “可焊型工程塑料复合导轨”军工科研项目的获奖证书
• 附件2: “自蚀刻UHMWPE界面的胶粘剂”的检测报告
• 附件3: 攻读博士学位期间的主要工作及发表的论文
• 致谢