CN110158012A - 一种橡胶表面金属化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种橡胶表面金属化的方法，涉及橡胶表面金属化领域。本发明的方法包括：(1)依次对橡胶基体表面进行清洗处理，并烘干橡胶基体；(2)将所述的清洗干净的橡胶基体进行表面粗化处理；(3)利用热喷涂技术对所述的粗化处理的橡胶基体表面进行第一次喷涂，形成橡胶‑金属涂层界面；后再对橡胶‑金属涂层界面进行第二次喷涂，完成金属涂层制备。本发明利用热喷涂技术，采用两次喷涂工艺，成功的在橡胶表面制备出金属涂层，实现橡胶材料的表面金属化，且该金属涂层与橡胶基体之间的结合力良好。该金属涂层对于橡胶材料的金属化应用以及后续进一步开展橡胶表面的改性开发具有十分重要的应用前景。

Description

一种橡胶表面金属化的方法
技术领域
本发明涉及橡胶表面金属化领域，具体涉及一种橡胶表面金属化的方法。
背景技术
非金属材料的表面金属化是指在材料表面利用物理化学手段进行表面改性，在其表面形成金属膜层，使非金属材料附有附着金属层的某些特殊性质，如导热、导电、导磁、电磁屏蔽、耐磨等。非金属材料因为表面金属化丰富了其功能，使其具备了金属性质和非导体性质的优点，比如利用树脂或陶瓷进行表面金属化，不但使材料具有所需的金属表面，并且减轻质量，金属的利用率也提高。
橡胶作为一种常见的非金属材料，由于其特殊的力学性能和弹性形变，广泛应用于工业领域。其中，导电橡胶广泛应用于电子工程领域，如防电磁屏蔽等，这主要是由于金属材料作为电磁屏蔽材料其不仅笨重、价格昂贵，且密封性差，而导电橡胶却克服了这些缺点，不仅具有良好的导电性，还具备优异的密封性和良好的机械性。
目前，导电橡胶制备中最常用的仍是导电填料进行复合的方式，但随着工业化需求的发展，橡胶往往要被制备成特殊的形状，而采用填料的方式往往对橡胶本身的性能影响较大，进而影响橡胶的动态和静态性能。但橡胶表面金属化的方式，可以在不改变橡胶本身力学性能的情况下，更大程度上的实现表面导电，这也正是目前导电橡胶研发的重要方向。
众所周知，金属表面的改性手段众多，如涂覆、镀膜、喷涂等，而橡胶及其制品的特殊性，往往表面的活性功能基体较少，直接涂覆、镀膜等处理非常不易。因此，将橡胶表面金属化处理作为整个橡胶表面改性技术的过渡层也是一项十分重要的步骤。目前，橡胶表面金属化处理的国内外研究报道不多，对非金属聚合物的金属化处理也仍以常见的贴金属箔、非电解电镀、气相镀膜、紫外沉积等手段为主，这些金属化处理手段工艺步骤繁琐，操作复杂，工艺设备要求较高，而制备的膜层往往结合力较弱。
专利公开号为CN107012450A公开了一种聚合物基底表面金属化的方法，通过首先对聚合物基底表面接枝改性，然后吸附催化剂，最后在聚合物基底表面通过化学镀实现金属铜、镍、银等金属的沉积，实现金属薄膜层与聚合物基底的结合力。但是该方法后续的废液处理困难，增加了工序与成本，且对环境污染较大。
热喷涂是一种常用的材料表面处理技术，目前，国内外利用热喷涂工艺在涂层表面强化及功能化方面取得了长足进步，其中电弧喷涂是一种低成本，且涂层沉积高效的技术手段，电弧喷涂Al，Zn或Al/Zn涂层也广泛的应用于耐蚀防护领域。
专利公开号为CN104480423A公开了一种利用超音速电弧喷涂制备超疏水涂层的制备方法，该方法可通过超音速电弧喷涂方法将金属丝材喷涂在金属、陶瓷、瓷砖、玻璃或塑料这些基材上，形成金属涂层。专利公告号为CN207059266U的实用新型文件中虽谈及了利用普通喷涂技术将金属铜或金属银喷涂到橡胶制件表面，但未介绍其喷涂工艺及喷涂效果。
发明内容
本发明提供了一种橡胶表面金属化的方法，该方法采用电弧喷涂技术，分两步对橡胶基体进行电弧喷涂，在橡胶表面形成金属化涂层，可以完整的保留原始金属丝材的物理化学特点，且金属层与橡胶基体结合良好。
一种橡胶表面金属化的方法，包括：
(1)依次对橡胶基体表面进行清洗处理，并烘干橡胶基体。
所述的橡胶基体为丁腈橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶和丁基橡胶中的一种。
所述的清洗处理采用酒精和去离子水依次对橡胶基体表面进行清洗处理，以清除橡胶基体表面粘附的杂质。
(2)将步骤(1)所述的清洗干净的橡胶基体进行表面粗化处理。
所述的橡胶基体表面的粗化处理包括喷砂、车螺纹、滚花或拉毛。
优选地，所述的橡胶基体表面粗化处理采用喷砂处理，喷砂工艺参数为：压缩空气压力为0.6-1.0MPa，喷砂用砂丸目数18-40目。
基于橡胶在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状的特性，选择喷砂对橡胶表面进行粗化处理。喷砂是利用磨料对橡胶基体表面的冲击和切削作用，使橡胶基体的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，有利于涂料的流平和装饰，增加了橡胶基体表面和金属涂层之间的附着力。
(3)利用热喷涂技术对步骤(2)所述的粗化处理的橡胶基体表面进行第一次金属喷涂，形成橡胶-金属涂层界面；再对橡胶-金属涂层界面进行第二次金属喷涂，完成金属涂层的制备。
优选地，所述的热喷涂技术为电弧喷涂技术。
所述的金属包括金属铝涂层、锌铝合金涂层、不锈钢涂层、铁基涂层中的一种或多种。
优选地，所述的金属为实心丝材或粉芯丝材，直径为1.5～3mm。
优选地，第一次金属喷涂工艺参数为：喷涂电流为100～150A，喷涂电压为35～45V，压缩空气压力为0.8～1MPa，喷涂距离为80～150mm，电弧枪移动速度为100～300mm/s，喷涂次数为1～3次。
第一次金属喷涂的目的在于：由于橡胶是一种弹性体，在热喷涂过程中极大的影响熔融的金属粒子在橡胶表面的扁平化，进而影响碰撞的熔融金属粒子在橡胶表面的铆钉效应及沉积效率。因此，为了提高金属涂层成膜所必需的界面结合力，针对不同金属丝材，选择相对较高的电弧喷涂功率(与该金属丝材常规电弧喷涂参数相比，调整喷涂电流、电压)、短的喷涂距离(提供瞬时对基体材料的热影响)以及较高的压缩空气压力(提供更高的碰撞能量，更好的实现铆钉作用)，在极短时间内使橡胶基体表面发生软化但不发生碳化，并使电弧喷涂过程中的熔融金属粒子与粗化的橡胶基体表面形成良好的铆钉效应，保障涂层成膜所必需的界面结合力，这也为第二次金属喷涂的实施提供橡胶-金属涂层界面支撑。
优选地，第二次金属喷涂工艺参数为：喷涂电流为100～200A，喷涂电压为30～50V，压缩空气压力为0.4～0.8MPa，喷涂距离为200～350mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次次为3～6次。
第二次金属喷涂的目的在于：相比于第一次金属喷涂，降低电弧喷涂功率减少或避免电弧喷涂过程中的持续高温对橡胶的不利影响(如橡胶碳化等)，同时结合喷涂距离、压缩空气等关键工艺参数，减少或避免电弧喷涂过程中产生的高温以及气流形成的冲击力对涂层的不利影响(如橡胶表面碳化使第一次形成的铆钉作用失效，或者热应力过大涂层脱落，或者冲击力过大使涂层成片剥离等)。
进一步优选，选用铝、锌铝丝材，第一次金属喷涂电流为100～150A，喷涂电压为35～42V，压缩空气压力为0.8～1MPa，喷涂距离为80～150mm，电弧枪移动速度为100～300mm/s，喷涂次数为1～3次。
进一步优选，选用铝、锌铝丝材，第二次金属喷涂电流为100～150A，喷涂电压为32～38V，压缩空气压力为0.6～0.8MPa，喷涂距离为200～250mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次数为3～6次。
进一步优选，选用不锈钢、铁基金属丝材，第二次金属喷涂电流为150～200A，喷涂电压为42～50V，压缩空气压力为0.6～0.8MPa，喷涂距离为250～300mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次数为3～6次。
优选地，所述的金属涂层的总厚度为50～300μm。
一般情况下，涂层厚度与涂层结合力成反比，此厚度范围既能保证涂层连续，又能保证涂层良好的结合力。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：涂层与橡胶基体界面处的微观结构表明，本发明的金属化涂层可以和橡胶良好结合，涂层与基体界面处未观察到明显的微裂纹。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的纯铝涂层的XRD图。
图2为本发明实施例1-3及对比例1-3制备的金属涂层数码照片。
图3为本发明实施例1制备的纯铝涂层表面、断面的场发射扫描电镜图(FESEM)；其中，(a)表面FESEM图，(b)为断面FESEM图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述:
实施例1：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数36目；利用电弧喷涂设备，通过两次电弧喷涂工艺，将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成金属涂层，实现丁腈橡胶表面的金属化。其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数为电流150A，电压42V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为100mm，电弧枪移动速度150mm/s，喷涂次数2次；第二次金属喷涂工艺参数为电流100A，电压38V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度250mm/s，喷涂次数3次。
(2)金属涂层表征：
金属涂层物相分析：利用XRD设备对丁腈橡胶橡胶表面的金属涂层进行物相分析。
表面微观形貌观察：将制备的样品置于无水乙醇中超声处理10min，然后60℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌。
断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于无水乙醇中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌。
结果如附图1，附图2(实施例1)，附图3所示，金属涂层为纯铝涂层，由表面微结构图可观察到，金属涂层主要由熔融飞溅的扁平颗粒堆积而成，且金属涂层均匀连续；由断面微观图可观察到金属涂层与橡胶基体结合良好，金属涂层总厚度为200μm左右。
实施例2：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数18目；利用电弧喷涂设备，通过两次电弧喷涂工艺，将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成金属涂层，其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数为电流100A，电压42V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为150mm，电弧枪移动速度300mm/s，喷涂次数2次；第二次金属喷涂工艺参数为电流100A，电压36V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离为250mm，电弧枪移动速度250mm/s，喷涂次数4次。
(2)金属涂层表征：
金属涂层物相分析：利用XRD设备对丁腈橡胶表面的金属涂层进行物相分析；
表面微观形貌观察：将制备的样品置于无水乙醇中超声处理10min，然后60℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌。
断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于无水乙醇中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌；
结果表明，金属涂层可在橡胶表面形成连续的金属涂层，XRD检测表面该金属涂层为纯铝涂层，由表面微结构图可观察到金属涂层主要由熔融飞溅的扁平颗粒堆积而成，且涂层均匀连续；由断面微观图可观察到金属涂层与丁腈橡胶基体结合良好，金属涂层总厚度为220μm左右。
实施例3：
(1)金属涂层制备：
对丁苯橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数36目；利用电弧喷涂设备，通过两次电弧喷涂工艺，将金属锌铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁苯橡胶基体表面，形成金属涂层，其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数为电流140A，电压38V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为150mm，电弧枪移动速度150mm/s，喷涂次数2次；第二次金属喷涂工艺参数为电流100A，电压32V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度250mm/s，喷涂次数3次。
(2)金属涂层表征：
金属涂层物相分析：利用XRD设备对丁苯橡胶表面的金属涂层进行物相分析；
表面微观形貌观察：将制备的样品置于无水乙醇中超声处理10min，然后60℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌；
断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于无水乙醇中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌；
结果表明，可在橡胶表面形成连续的金属涂层，XRD检测表面该金属涂层为锌铝涂层，由表面微结构图可观察到金属涂层主要由熔融飞溅的扁平颗粒堆积而成，且金属涂层均匀连续；由断面微观图可观察到金属涂层与丁苯橡胶基体结合良好，金属涂层总厚度为200μm左右。
实施例4：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数18目；利用电弧喷涂设备，首先将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成丁腈橡胶—铝金属涂层界面层，然后再将不锈钢丝材(丝材直径2mm)喷涂在上一步骤中形成的丁腈橡胶—铝金属涂层界面层上，形成不锈钢涂层。其中，依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数为电流150A，电压40V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为100mm，电弧枪移动速度150mm/s，喷涂次数2次；第二次金属喷涂工艺参数为电流150A，电压42V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为300mm，电弧枪移动速度250mm/s，喷涂次数4次；
(2)金属涂层表征：
金属涂层物相分析：利用XRD设备对丁腈橡胶表面的金属涂层进行物相分析；
表面微观形貌观察：将制备的样品置于无水乙醇中超声处理10min，然后60℃烘干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其表面微观形貌；
断面微观形貌观察：将制备的样品依次用400#、800#、1200#、1500#、2000#砂纸打磨、抛光，然后置于无水乙醇中超声处理5min，吹干，最后表面喷Au，利用场发射扫描电子显微镜观察其断面微观形貌；
结果表明，金属涂层表面为不锈钢涂层，由表面微结构图可观察到金属涂层主要由熔融飞溅的扁平颗粒堆积而成，且金属涂层均匀连续；由断面图可观察到金属涂层与丁腈橡胶基体结合良好，金属涂层总厚度为250μm左右。
对比例1：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数36目；利用电弧喷涂设备，通过两次电弧喷涂工艺，将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成金属涂层，其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数与第二次金属喷涂工艺参数相同，电流均为150A，电压均为42V，压缩空气压力均为0.8MPa，喷涂距离均为100mm，电弧枪移动速度均为150mm/s，总喷涂次数为5次。
(2)制备结果：
从附图2(对比例1)的照片中可见，形成的金属涂层不连续。这是由于丁腈橡胶表面发生碳化，铝金属涂层快速沉积而后发生区块性剥离，无法在橡胶表面形成完整的金属涂层，造成金属涂层不连续。
对比例2：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数36目；利用电弧喷涂设备，通过两次喷涂工艺，将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成金属涂层，其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数与第二次金属喷涂工艺参数相同，为电流100A，电压38V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度250mm/s，总喷涂次数为5次。
(2)制备结果：
从附图2的照片中可见，形成的金属涂层不连续。这是由于无法在橡胶表面形成完整的金属涂层，造成金属涂层不连续。
对比例3：
(1)金属涂层制备：
对丁腈橡胶基体进行清洗及喷砂预处理，其中喷砂过程中压缩空气压力为0.8MPa，喷砂用砂丸目数36目；利用电弧喷涂设备，通过两次喷涂工艺，将金属铝丝材(丝材直径2mm)喷涂至经过处理的丁腈橡胶基体表面，形成金属涂层，其中依次进行电弧喷涂的工艺参数如下：第一次金属喷涂工艺参数为电流100A，电压38V，压缩空气压力0.6MPa，喷涂距离为200mm，电弧枪移动速度250mm/s，喷涂次数2次；第二次喷金属涂工艺参数为电流150A，电压42V，压缩空气压力0.8MPa，喷涂距离为100mm，电弧枪移动速度150mm/s，喷涂次数3次。
(2)制备结果：
从附图2(对比例3)的照片中可见，橡胶表面无法形成金属涂层。这是由于丁腈橡胶表面发生碳化，金属丝材无法在橡胶表面形成金属涂层。

Claims (10)

1.一种橡胶表面金属化的方法，其特征在于，包括：
(1)依次对橡胶基体表面进行清洗处理，并烘干橡胶基体；
(2)将步骤(1)所述的清洗干净的橡胶基体进行表面粗化处理；
(3)利用热喷涂技术对步骤(2)所述的粗化处理的橡胶基体表面进行第一次金属喷涂，形成橡胶-金属涂层界面；再对橡胶-金属涂层界面进行第二次金属喷涂，完成金属涂层的制备。
2.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的橡胶基体包括丁腈橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶和丁基橡胶中的一种。
3.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的橡胶基体表面的粗化处理包括喷砂、车螺纹、滚花或拉毛。
4.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的热喷涂技术为电弧喷涂。
5.根据权利要求4所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，第一次电弧喷涂工艺参数为：喷涂电流为100～150A，喷涂电压为35～45V，压缩空气压力为0.8～1MPa，喷涂距离为80～150mm，电弧枪移动速度为100～300mm/s，喷涂次数为1～3次；
第二次电弧喷涂工艺参数为：喷涂电流为100～200A，喷涂电压为30～50V，压缩空气压力为0.4～0.8MPa，喷涂距离为200～350mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次数为3～6次。
6.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的金属为铝、锌铝合金、不锈钢和铁基金属中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的金属为实心丝材或粉芯丝材，直径为1.5～3mm。
8.根据权利要求6或7所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的金属选用铝或锌铝丝材，第一次电弧喷涂工艺参数为：100～150A，喷涂电压为35～42V，压缩空气压力为0.8～1MPa，喷涂距离为80～150mm，电弧枪移动速度为100～300mm/s，喷涂次数为1～3次；
第二次电弧喷涂工艺参数为：100～150A，喷涂电压为32～38V，压缩空气压力为0.6～0.8MPa，喷涂距离为200～250mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次数为3～6次。
9.根据权利要求6或7所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的金属选用不锈钢、铁基金属丝材，第二次电弧喷涂工艺参数为：150～200A，喷涂电压为42～50V，压缩空气压力为0.6～0.8MPa，喷涂距离为250～300mm，电弧枪移动速度为150～250mm/s，喷涂次数为3～6次。
10.根据权利要求1所述的橡胶表面金属化的方法，其特征在于，所述的金属涂层的总厚度为50～300μm。
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