制桶工藝學
第五章 卷邊
第三節 封縫膠及其應用
5.3.1 封縫膠概述
一、封縫膠的作用
鋼桶卷邊與直縫焊接不同。直縫焊接是采用電阻加熱，使金屬熔化，加壓后使鋼板焊接成一整體，其密封性主要取決于焊接的本身質量。而鋼桶卷邊屬于冷加工，即使卷邊加工十分完美、卷合形狀完全符合要求，也無法滿足其密封要求。因為鋼板之間結合再緊密，仍是有空隙的。因此，必須在卷合處加入一種具有一定彈性的物質，使其充填所有的鋼板結合空隙，起到密封作用。
鋼桶國家標準規定：桶身與桶頂、桶底的卷封按需要充填密封填料。密封填料采用密封性能好，與內裝物相適應的耐熱、耐候、耐久和具有抗溶性的材料。封縫膠的作用便是上述密封填料的作用。它能承受各種惡劣條件，尤其是在鋼桶受損的情況下，具有較好的追隨破壞變形的能力，能有效地防止鋼桶內盛液體向外滲漏，起到良好的阻漏、阻滲作用。
二、封縫膠的密封機理
封縫膠的原始形態，一般是液體。但在使用后最終形態，由于配方、類型及基體高分子化合物本身性能各不相同，而具有不盡相同的各種形態。按其最終形態來分，有呈固態的干性固著型和干性剝離型；有呈粘稠狀態的半干性粘彈型和不干性粘著型。各種類型的封縫膠，其密封機理也不盡相同，下面我們分別加以討論。
干性固著型和干性剝離型封縫膠經噴涂干燥后，一般呈干性薄層或彈性固狀皮膜。所以，它們在鋼桶卷合處的形態與固體墊圈基本相似，因比，可用固體墊圈的密封機理來作近似的解釋。對于干性剝離型還具有良好的粘彈性和受壓下的回復性能，因此它還具有彈性墊圈的密封機理所表現的各種優點。
固體墊圈的密封機理很簡單，它主要靠墊圈與兩個接合面之間的緊密聯接而形成密封圈。這種密密聯接的形成，要求固體墊圄的硬度遠小于兩個接合面的硬度。從而在一定壓力的作用下，使接合面上不平點壓嵌入墊圈表面而形成致密聯接的密封面。這種密封雖簡單，但如果卷合處一旦受到沖擊而變形，密封馬上破壞，很不可靠。
對于半干性粘彈型和不干性粘著型封縫膠，由于在接合面之間的最終狀態均是一種粘稠的物質，所以其密封機理介乎于彈性力學和流體力學之間。近年來，人們用流動能量理論來研究和探討這類封縫膠的密封機理。這里我們只能作一個簡單的介紹。
密封的封縫膠圈在接合面上承受內壓而發生變形，變形的過程中，它不斷吸收內壓的能量，使內壓產生的能量被消耗到不足以導致泄漏，從而保證了接合面的密封。這就是粘稠物質的密封機理，稱為流動能量理論。
從這種理論出發，通過數學推導可知，接合面的密封性能與接合面的間隙、寬度以及接合圓周半徑有關。接合面的間隙越小、寬度越寬、接合圓周半徑越大，則密封性能越好，反之則密封性能變差。
對于鋼桶來說，卷合處的間隙可由卷邊滾壓控制得極小；接合圓周半徑， 即鋼捅半徑，相對也很大，接合寬度對于平卷邊與圓卷邊不相同，三重七層圓卷邊要比二重五層平卷邊寬得多，但均已具有足夠的寬度。因此，只要在卷邊時均勻地不遺漏地在接合面上噴涂封縫膠，又正確卷合成形，鋼桶內壓要達到使卷層內的封縫膠變形導致泄漏是非常困難的。也就是說，這薄薄的一層封縫膠完全足夠起到密封的作用。但是，由于鋼桶一般都是采用薄鋼板制成，受到外力后，極易變形。有時變形太大，超出了密封填料所具有的密封能力，還將造成泄漏。所以，提高封縫膠的密封能力只是一個方面，而提高鋼桶的剛性，改善鋼桶的受力狀態也是不可疏忽的重要因素。
三、封縫膠的種類和組成
1.封縫膠的分類
（1）按原材料劃分。可分為樹脂型、橡膠型、油改性型等。這種分類可方便地根據原材料的性能來推測它對接觸介質的穩定性、耐熱性及機械強度等理化性能。但是，常用的封縫膠大多是由多種材料配制而成的，因此單純按材料分類是不全面的。
（2）按有無溶劑劃分。可分為含有溶劑的溶劑型和不含溶劑的非溶劑型兩大類。
（3）按適用范圍及某種特性劃分。可分為耐熱型、耐寒型、耐油型、耐水型、耐溶劑型、耐化學藥品型許多種類。
（4）按噴涂后成膜的狀態劃分。可分為干性固著型、干性剝離型、半干性粘彈型、不干性粘著型等種類。目前，這種分類方法最常用。其中半干性粘彈型介于干性與不干性之間，兼有兩者的優點。一般這種封縫膠含有溶劑，噴涂后溶劑很快揮發，而形成的薄膜長期不硬，永久保持粘彈性，是鋼桶封縫膠較為理想的一種選型。
2. 封縫膠的組成
封縫膠一般由基料、填充料、助劑和溶劑等組成。
（1）基料。基料是封縫膠最主要的組成部分，是由具有一定粘度的高分子物質充任。目前，廣泛使用的基料，主要是高分子合成樹脂和合成橡膠或一些天然高分子有機物。如表5-1所示。
表5-1 封縫膠的基料原材料
| 類別 |
品種 |
合成樹脂 |
聚酰胺、醇酸、酚醛、聚脂、聚氨脂、有機硅、環氧、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、纖維素等 |
合成橡膠 |
氯丁、丁腈、氯磺化聚乙烯、聚異丁烯、聚硫、丁苯、乙丙、硅等 |
天然有機物 |
天然樹脂、天然橡膠、松香、植物油等 |
（2）填充料。填充料的功能，主要是降低主體材料分子的活化性能，增加交聯密度和彈性。通常可起到增加基料的粘度和變形性能，提高耐熱、耐壓等性能，減少封縫膠和接合面的熱膨脹系數的差異，實現增強或補強的作用。
常用的填充料有鉛白、鋅鋇白、滑石粉、硅藻土、炭黑、鉛粉、錚粉等。
（3）助劑。主要是增塑劑， 其主要作用是增加基料的可塑性。選用的增塑劑必須是和基料相互可溶解的，因此要求增塑劑有適當的極性。一般采用具有中等程度極性的酯類作為增塑劑，常用的有酞酸二甲酯， 磷酸二乙酯、磷酸三苯酯等。
其它助劑、主要有防老化劑、防沉淀劑、催干劑、防結皮劑、穩定劑、增粘劑等，根據封縫膠的各種要求，選擇加入即可。
（4）溶劑。其主要作用是溶解基料， 以改善施工操作條件，便于噴涂以及使封縫膠能充滿細小的凹陷處和縫隙，以使接合面密封更可靠。常用的溶劑有甲醇、乙醚、丙酮、醋酸乙酯、氨水等。
四、封縫膠的特性
作為一種實用的良好的封縫膠必須具有以下特性：
（1）填充性好。能填充所有的凹陷處和縫隙，并對金屬表面有良好的浸潤性能。
（2）致密性好。在接合面間隙中，封縫膠本身是致密的和柔韌的，不易產生彈性疲勞現象。
（3）吻合性好。封縫膠與金屬接合面有很好的粘附性，即使受到沖擊和振動，仍能牢固地粘附在金屬表面。
（4）連續性好。噴涂在金屬接合面上的薄膜，必須是連續無間斷的。
（5）穩定性好。封縫膠對金屬表面不腐蝕，對被密封的介質不發生任何化學反應。
（6）適應性好。不因外界環境條件變化，如溫度、濕度等而失去或降低其密封性能。
（7）工藝性好。能適應各種施工條件。
5.3.2 封縫膠的應用
一、封縫膠的選用
目前國內各地生產的封縫膠品種繁多，從國外也引進了不少品種。因此在實際應用時，必須根據具體情況合理地進行選擇。既要達到預期的密封效果，又要考慮它的施工性能和經濟性，需要統籌全面地考慮。一般在選用時，必須考慮以下幾個方面：
（1）考慮接合面條件，如接合面形狀、間隙大小等。
（2）考慮耐介質性能，主要與內盛物質有關。
（3）考慮適應性能，如耐熱、耐候、耐壓、耐振動等性能。
（4）考慮施工性能，如噴涂是否方便，干燥時間快慢，對人體是否有害等。
（5）考慮經濟性，價格是否便宜，運輸貯存是否方便等。
我國制桶行業過去一直沿用紅糖骨膠作為鋼桶的封縫膠，目前仍還有不少廠家在繼續使用。這種原始的封縫膠已不能滿足對鋼桶日益提高的要求了，目前很多制桶廠家都在研究采用新型的封縫膠來替代原始的紅糖骨膠。80年代初，從國外引進的封縫膠，經消化、吸收，現在已開始生產各種類型的國產封縫膠，并相繼通過國家鑒定，在實際生產中得到應用和推廣，取得了較好的效果。下面介紹幾種有代表性的封縫膠，供選用時參考。
1. HWS-1封縫膠
這是由西安交通大學和中國石化銷售公司金雞公司共同研究開發的。
HWS-1型封縫膠，是以合成乳膠(XSBRL)為基料，加入多種填料和助劑制成的高固分水基密封材料。由于溶劑為水，故安全無毒，不污染環境，封縫膠為非易燃品，不腐蝕鋼桶桶體。
產品固體含量64±2%，充填性能好，干燥時間短，可在室溫下固化成膜。所成膠膜收縮性小，有彈性，伸長率和抗張強度都較高，具有較好的追隨破壞形變的能力。成膜后接觸溶劑不溶解、不破碎而略有溶眼，故堵漏性能好。膠膜毒無味，不污染鋼桶內盛物質。
產品呈乳白色細膩粘稠膠狀體，略有氨味。
2. 812#封縫膠
這是由天津包裝研究分所研究開發的。
812#封縫膠是以聚乙烯醇縮醛溶液為基料，加入多種助劑而制成的密封材料。
這種封縫膠具有良好的耐候性能、耐化學性能及物理械性能。無毒、不霉、不腐，有較好的枯附性、彈性和成膜性，密封效果良好。
產品常溫下為無色或微黃色粘稠膠狀體，加熱后呈透明流體。
3. “白鴛牌”封縫膠
這是由廈門市開元乳膠廠研究開發的。
“白鴛牌”封縫膠是以天然乳膠為主要材料，配以其它助劑生產的封縫膠。
產品呈灰白色或帶微粉紅色粘性液體，固體含量大于40%，膠液密度為0.95～1.00，pH值為10.5～11。
產品密封性能良好，無毒、不易燃、不污染，不易沉淀，便于運輸，適用于部分化工產品鋼桶的卷邊密封。
除了上述幾個比較成熟的產品外，全國各地已研制成功或正在研制的封縫膠，數不勝數，不一一介紹了。
二、封縫膠的使用方法
封縫膠的使用，通常可按下列幾個步驟進行，即預處理——涂膠——干燥。
1.預處理
如果金屬表面有油污、銹蝕、水或灰塵等，應去除干凈，以便使封縫膠能浸潤其整個表面，充分填充表面凹陷處，并和接合面牢固結合。否則密封性能就下降。
如果封縫膠為了噴涂方便等原因需要調整粘度，重新調配，則封縫膠的配制也必須事先完成。
2. 涂膠
封縫膠在金屬接合面上的分布不是憑借擴散作用，而必須借助外力來涂布的。涂膠的方法可根據情況進行選擇，可用刷子手工涂膠，也可用噴槍進行自動噴涂，噴槍涂膠，快而均勻，適合流水作業。在一般情況下，涂膠厚度為0.12～0.20mm。如果用條環狀涂膠，厚度可達0.50～0.70mm。厚度太厚，不僅干燥時間長，而且多涂部分在卷邊時會被擠出來，不但浪費，還會污染設備，縮短滾輪壽命，甚至影響卷邊質量。
3. 干燥
封縫膠一般含有溶劑。有時為了施工方便，還要事先稀釋調配，所以涂后必須進行干燥。一般要求干燥到不粘手或溶劑基本揮發后，再選行卷邊。干燥時間與所用的封縫膠種類、溶劑以及涂膠厚度、周圍環境溫度與濕度，是敞開的還是封閉的等條件有關。
封縫膠必須在卷邊后才能發揮其密封作用。卷邊時還必須對卷層內的縫隙加以控制，通常層與層之間不應有間隙，中心空隙一般不大于鋼板的厚度。縫隙超差，封縫膠的密封作用就會下降，甚至完全失效。
此外，有些封縫膠對某些金屬敏感，在噴涂時，會造成管道、噴嘴及篩網等堵塞，因此這些部件須采用不銹鋼制作。在生產過程中若發生故障暫停噴涂，需在噴嘴上涂以黃油，以防止溶劑揮發而造成封縫膠凝固，堵塞通道。
封縫膠都有一定的儲存期，若保管不好或存放時間過長，就會變質，失去效用。因而，在使用前，必須檢查封縫膠的出廠日期，貯存期限以及使用說明。
三、封縫膠的性能測試
封縫膠的性能測試通常分為三大類：
（1）物理化學性能測試。主要包括封縫膠的形態、比重、粘度、不揮發分、干燥時間、貯存期等。
（2）密封性能測試。主要包括封縫膠的耐高溫、耐低溫、耐壓以及耐各種介質性能的測試。這些測試結果是選擇封縫膠的主要依據。
（3）應用試驗。由于封縫膠的實用性能與施工操作，制桶工藝，卷層間隙等有密切的關系。所以選用時，必須預先進行模擬試驗或實際應用試驗。
封縫膠通常需進行測試的常規項目有: （1）比重；（2）粘度；（3）不揮發分：指封縫膠中溶劑揮發后固狀物的含量；（4）流動性；（5）熱分解溫度； （6）耐介質性；（7）耐壓性。
