Các chất kết dính và lớp lót thông thường được sử dụng để kết dính cao su với kim loại là những sản phẩm có công thức đặc biệt, có tính độc quyền cao. Chúng luôn luôn chứa một hỗn hợp các polyme, nhựa, chất kết mạng, chất màu, chất kéo dài mạch, và những thành phần khác, ví dụ, chất ức chế ăn mòn hoặc các chất ổn định độ nhớt. Những vật liệu này có thể hòa tan hoặc lơ lửng trong môi trường chất lỏng. Cho tới đầu những năm 1990, các chất kết dính cao su với kim loại hầu như có công thức riêng biệt trong các dung môi hữu cơ. Do sự cần thiết phải giảm phát thải các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), số lượng các chất kết dính cao su với kim loại trong môi trường nước được thương mại ngày càng nhiều.
Lớp lót cao su kết dính kim loại chứa các nhựa hữu cơ có khả năng phản ứng với hầu hết bề mặt các kim loại (thép, nhôm, thép không gỉ, đồng, đồng thau) trong quá trình lưu hóa để hình thành những liên kết hóa học với kim loại. Chúng cũng chứa những polyme cho phép hình thành lớp màng tốt hơn và hoạt động như một cái neo để gắn chất kết dính tiếp theo vào.
Chất kết dính cao su với kim loại chứa các vật liệu polyme tương thích với thành phần trong lớp lót, cũng như thành phần hỗn hợp cao su được kết dính. Phần lớn chúng dựa trên các polyme halogen hóa. Các polyme và các nhựa halogen hóa thấm ướt kim loại hiệu quả và có thể được dùng trong cả công thức lớp lót và chất kết dính. Chúng tạo ra những trở ngại hữu hiệu đối với những hóa chất làm hư hại liên kết kết dính. Chất kết dính cũng chứa những chất kết mạng mạnh phản ứng với cả polyme trong cao su và polyme trong chất kết dính. Các hóa chất hai chức hoặc đa chức rất phù hợp để hình thành màng polyme nhiệt rắn cũng như phản ứng ngang bề mặt phân cách của lớp màng để liên kết vào trong cao su. Cơ chế liên kết cao su với kim loại là rất phức tạp vì có vài phản ứng xảy ra đồng thời. Tất cả những phản ứng này phải diễn ra trong một khoảng thời gian rất ngắn (ví dụ, trong thời gian đầu của quá trình kết mạng cao su) để tạo thành liên kết mạnh.
Các phản ứng khác nhau xảy ra được minh họa ở hình 1.
Hình 1. Sơ đồ tạo liên kết trong quá trình lưu hóa.
Mỗi lớp của ba lớp hữu cơ trong liên kết cao su với kim loại (lớp lót, chất kết dính, cao su) liên kết ngang hoặc kết mạng trong quá trình đúc khuôn. Nguồn gốc của quá trình tạo liên kết ngang này là sự có mặt của nhựa có khả năng phản ứng ở nhiệt độ cao hoặc các chất kết mạng được thêm từ bên ngoài vào. Quá trình kết mạng bên trong này làm tăng khối lượng phân tử và độ bền của mỗi lớp. Thêm vào đó, mỗi lớp đều trải qua những phản ứng với các lớp liền kề trên và dưới nó. Các phản ứng giữa các lớp này được tạo ra bởi các thành phần hóa học tương tự điều này cũng cho phép những liên kết bên trong xảy ra.
Sự kết nối đầu tiên trong liên kết cao su với kim loại là lớp lót ở bề mặt kim loại. Như đã đề cập trước, thêm vào quá trình tạo liên kết ngang diễn ra bên trong lớp lót, các nhựa hữu cơ trong lớp lót cũng phản ứng với oxyt kim loại trên bề mặt kim loại để hình thành những liên kết hóa học rất mạnh. Loại phản ứng này được gọi là hấp phụ hóa học. Nó rất khác với sự hấp phụ bình thường hoặc những liên kết vật lý ở chỗ những liên kết được hình thành bởi sự hấp phụ hóa học có thể chống lại sự tấn công của nước, nhiệt và hóa chất. Ngược lại, những liên kết được hình thành bới sự hấp phụ rất dễ bị hư hại bởi tác động của môi trường như tiếp xúc nhiệt và hóa chất.
Sự kết nối tiếp theo trong liên kết cao su với kim loại là giữa bề mặt lớp lót và chất kết dính. Chất kết mạng có mặt trong lớp chất kết dính di chuyển hoặc phân tán vào trong lớp lót trong quá trình lưu hóa và hình thành liên kết hóa học giữa lớp lót và chất kết dính. Lớp màng polyme ban đầu có mặt trong lớp lót phân tán và gắn chặt vào lớp chất kết dính làm tăng độ bền liên kết giữa lớp lót và chất kết dính vì tính tương thích của nó với polyme có mặt trong lớp chất kết dính.
Sự kết nối cuối cùng trong liên kết cao su với kim loại là giữa bề mặt chất kết dính và cao su. Chất kết mạng có mặt trong lớp chất kết dính cũng phân tán vào trong cao su trong quá trình lưu hóa và hình thành liên kết hóa học giữa chất kết dính và cao su. Những liên kết này bắc cầu ngang qua các lớp được gọi là các cầu nối ngang để phân biệt chúng với những liên kết ngang hình thành trong cao su. Thêm vào đó, lưu huỳnh trong hỗn hợp cao su phân tán vào trong lớp chất kết dính và giúp hình thành thêm những cầu nối ngàng giữa cao su và chất kết dính.
Hệ thống các chất kết dính cao su với kim loại nhìn chung chia thành hai loại. Đó là các hệ thống lớp lót/ lớp bao phủ và các hệ thống một lớp phủ. Trong các hệ thống lớp lót/ lớp phủ, lớp lót cơ bản chứa những vật liệu hình thành những liên kết mạnh và bền với bề mặt kim loại. Modun của lớp lót đã lưu hóa phải nằm giữa modun của cao su và modun của kim loại, nhưng modun của nó gần modun của kim loại hơn.
Lớp phủ, ngược lại, cơ bản chứa những vật liệu hình thành những liên kết với cao su và modun tạo thành của chất kết dính đã lưu hóa gần với modun của cao su đã lưu hóa. Toàn hệ thống sẽ tạo ra sự thay đối modun từ từ giữa cao su và kim loại và tạo nên sự phân bố ứng suất tốt hơn.
Các chất kết dính một lớp phủ, nếu cần thiết, chứa cả hai vật liệu phản ứng với bề mặt kim loại và vật liệu phản ứng với cao su. Những vật liệu này, trong nhiều trường hợp, không ổn định với nhau, vì thế sự ổn định trong một thời gian dài của chất kết dính một lớp phủ khó mà đạt được.
Mỗi hệ thống đều có những ưu điểm và khuyết điểm của nó. Điển hình, các hệ thống lớp lót/ lớp phủ kháng lại các điều kiện môi trường tốt hơn như là tiếp xúc với dầu nóng hoặc bụi nước muối. Tuy nhiên, các hệ thống lớp lót/ lớp phủ đắt hơn khi thực hiện vì cần phải có hai bộ thiết bị, một cho lớp lót và cái còn lại cho lớp phủ. Các hệ thống một lớp phủ chỉ yêu cầu một bộ thiết bị và chỉ yêu cầu một bước thực hiện thay vì hai, và vì vậy, ít tốn chi phí hơn để thực hiện. Vấn đề kiểm kê được đơn giản đáng kể với việc sử dụng các chất kết dính một lớp phủ.
Tham khảo từ tài liệu The Handbook of Rubber Bonding - 2001, Bryan Crowther, trang 62 – 64.
(vtp)
