目前,胶黏剂的种类繁多,本节将就常用的一些胶黏剂,结合其组成、性能、特点、应用及胶接技术等方面内容做一些介绍。
环氧树脂胶黏剂的出现是在1933年德国的Schlack首创了由双酚A合成环氧树脂以后,1940年瑞士的Casten报道了二缩水甘油醚类和酯类的制造方法,Ciba公司在此基础上进行了开发,到1946年美国开始大量生产环氧氯丙烷,并于次年开始工业化生产环氧树脂胶黏剂,瑞士、前苏联及日本等国也相继分别投入该性能优良树脂的工业生产。
1950年环氧树脂已经商品化,并开始应用于美国海军战斗机的飞机制造的铝蒙皮-轻木芯夹层结构中。
20世纪60年代初,已开始用于建筑工程中的修补与加固房屋及水利设施中。1963年,美国的B-727飞机已用环氧树脂胶黏剂粘接应铆焊的结构,因而提高了铝蒙皮寿命。此间在机械制造业上,机械修理上以及木工工程中更大量地使用了环氧树脂结构胶黏剂。
进入20世纪70年代,各种改性复合型环氧树脂胶黏剂不断出现(如:环氧-聚硫、环氧-有机硅、环氧-尼龙、环氧-丁腈、环氧-酚醛等),各种新型固化剂也相继开发,使环氧树脂胶黏剂进入了一个新的发展时期,其应用面亦更加广泛。不论是航空、汽车、建筑,还是轻工、电子等领域无处没有环氧树脂胶黏剂的存在,使其成为人们俗称的“万能胶”。
20世纪80年代后,环氧树脂胶黏剂向着专业化、功能化和高性能化的方向发展。不仅在航空工业上有广泛的应用,而且也应用于尖端技术(如航天飞机、火箭等)的重要部位,高性能的各种特种胶黏剂正在电子器件中被广泛使用,在汽车工业中的应用也日益普遍,其在建筑中的使用则改变了许多传统的建筑施工方法,例如:澳大利亚悉尼歌剧院的大屋盖的粘接拼装,日本板神地震后众多建筑物的修复,都使用了建筑专用环氧树脂新胶种。各种树脂改性及互穿网络技术的应用,使环氧树脂胶黏剂的性能更加优越。
(1)环氧树脂胶黏剂的特点 在国民经济与科学技术飞速发展的今天,环氧树脂为主要组成的各类胶黏剂,作为一种新型的化工材料,在各行业与领域发挥着越来越大的作用。环氧树脂胶黏剂之所以能如此被人们重视、受人青睐,是源于环氧树脂胶黏剂有许多其他胶种所不具备的突出优点。
①粘接范围广:环氧树脂胶黏剂不论是对于金属中的金银铜铁锡,还是非金属材料中的玻璃、水泥制品、石材、木材、织物、瓷器等,均可进行粘接;即使是橡胶、塑料亦有很好的粘接强度;就是很难粘接的聚烯烃类塑料,只要对其表面进行处理,也可以粘接成为有相当强度的胶接接头;对于性能差异很大(如钢材与混凝土),尺寸差异也很大(极薄与极厚)的也可以顺利实施粘接。这均大大方便了各行各业的生产与制造。
②黏合力大:在环氧树脂的化学结构中含有脂肪族羟基、醚基和极为活泼的环氧基,由于羟基和醚基具有很高的极性,使环氧树脂分子能与相邻界面产生电子引力;而环氧基团则能与被胶物表面的游离键发生反应而生成化学键。
③收缩率小:环氧胶在固化时几乎不放出低分子物,胶层的收缩率小,线膨胀系数受温度的影响也小,因此,胶接件的尺寸稳定性好。纯环氧树脂固化后其收缩率仅为2%~3%,若加入适当填料则可降低到1%左右。
④工艺性能良好:用环氧树脂可配制成多种黏度的胶种,稀的如水一样,稠的如同膏状物以至可制成固体胶棒或胶膜。使用期和固化时间亦可用不同的固化剂进行调节,可长可短,短的固化时间仅有几十分钟,长的可达几天。环氧树脂固化温度的高低亦可进行调节,配成胶后,其贮存稳定性亦好。这些良好的工艺性能给其使用带来很大方便。
⑤胶层性能好:固化后的环氧树脂胶除具有较高的机械强度外,还具有良好的耐介质性能,由于环氧树脂分子链间紧密,且交联密度大,故耐溶剂性、耐油性好。
此外,环氧树脂胶的固化产物具有优异的电气绝缘性能,体积电阻系数为10 13 Ω·cm~10 16 Ω·cm,击穿电压为35kV/mm~50kV/mm。
环氧树脂胶黏剂自问世以来,虽然性能已经提高不少,但从用户的使用要求来看仍有不足,主要体现在以下几方面:
①环氧树脂胶黏剂在胶接接头上的冲击强度、剥离强度还较低,这样在机械制造业中的应用受到了较大的限制;同时其接头的耐温性也较差,一般胶种仅可在150℃左右长期使用,少数可达250℃~280℃,但其固化条件又较繁杂,这些均有待进一步改进。
②环氧树脂胶黏剂的胶接质量受到太多因素的影响,使得用胶接制造的产品质量分散性大,通常胶接强度的分散性高达20%(点焊为15%,铆接只有8%),这大大降低了设计取值,使应用受到约束。此外其质量测试手段也不完善,非破坏性的、可靠的、直观的、快速的质量测试方法还很罕见。虽然近来已有了各种无损测试方法(如:超声波法),许多的实践也已证明环氧树脂胶黏剂的应用是可靠的,但仍然难叫人满意。
③长期持久强度与耐老化性能的研究数据仍然较少,使得在实际老化问题上,尚未有一明确的答案,这也限制了该类胶种的推广应用。
(2)环氧树脂的定义及其分类
环氧树脂是指在一个分子结构中,含有两个或两个以上的环氧基
,并在适当的化学试剂及合适条件下,能形成三维交联状固化化合物的总称。它们的种类很多,属于低聚物,有时为区别固化后的环氧树脂,亦可把它们称为环氧树脂低聚物。
1)按环氧树脂的结构分类
①缩水甘油醚类:双酚A型环氧树脂是应用最广泛的缩水甘油醚类环氧树脂,主要牌号见表1-7,其化学结构式如下所示。
双酚A型环氧树脂
表1-7 国产双酚A型环氧树脂牌号及规格
其他的缩水甘油醚环氧树脂还有:双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、酚醛型环氧树脂(F-44、F-45)、脂肪族缩水甘油醚树脂(662号或B-63环氧树脂)、溴代环氧树脂等。
②缩水甘油酯类:主要品种有邻苯甲酸缩水甘油酯、四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、偏苯三甲酸三缩水甘油酯等。
缩水甘油酯类
③缩水甘油胺类:常见品种有苯胺环氧树脂、对氨基苯酚环氧树脂、4,4′-二氨基二苯甲烷环氧树脂、三聚氰胺环氧树脂等。
缩水甘油胺类
④脂环族环氧树脂:这类树脂是由脂环族烯烃的双键经环氧化而制得的,它们的分子结构和二酚基丙烷型环氧树脂及其他环氧树脂有很大差异,前者环氧基都直接连接在脂环上,而后者的环氧基都是以环氧丙基醚连接在苯核或脂肪烃上,其代表性的品种有二氧化双环戊二烯(6207树脂或R-122树脂),3,4-环氧基-6-甲基环己烷甲酸、3′,4′-环氧基-6-甲基环己烷甲脂(ZH201或H-71树脂)、二氧化双环戊烯基醚(W95树脂或ZH300、ZH400环氧树脂)等。
⑤环氧化烯烃类(脂肪族环氧树脂):这类树脂与酚基丙烷型环氧树脂及脂环族环氧树脂不同,在分子结构里不仅无苯核,也无脂环结构,仅有脂肪链;环氧基与脂肪链相连。如环氧化聚丁二烯树脂(2000号环氧树脂,即D-17环氧树脂)。
⑥新型环氧树脂:如海因环氧树脂、酰亚胺环氧树脂等。
⑦含其他元素的环氧树脂:如有机硅环氧树脂、有机钛环氧树脂等。
2)环氧树脂命名原则 GB 1630中规定了环氧树脂名称的组成及其表示方法。但大多数情况下环氧树脂的基本名称仍采用我国的习惯名称,即“环氧树脂”,在这个基本名称之前加上型号。
型号的表示:环氧树脂以1个或2个汉语拼音字母与两位阿拉伯数字为型号,以表示类别和品种。
型号的第一位采用主要组成物质名称。取其主要组成物质汉语拼音的第一个字母,若遇相同取其第二字母,依此类推。第二位是组成中若有改性物质,则也是用汉语拼音字母,若不是改性则划一横。第三和第四位是标志出该产品的主要性能环氧值的平均数。
式样:
举例:某一牌号环氧树脂,以二酚基丙烷(代号E)为主要物质成分,其环氧值指标为0.48当量/100g~0.54当量/100g,平均值为0.51,此树脂的全称为“E-51环氧树脂”。
在应用过程中,人们还按照所应用的领域和习惯,采用适合于自己的分类方法。此处不再赘述。
(3)环氧树脂固化剂 种类很多,性能各异。按习惯主要分为胺类、酸酐类、咪唑类、高聚物类和潜伏型等几类。根据固化反应历程可将环氧树脂固化剂分为加成聚合型和催化型。
加成聚合即打开环氧树脂的环氧基进行加成聚合反应。由于具有两个或两个以上活泼氢的化合物皆可作为固化剂,所以种类很多。这种加成聚合反应,固化剂本身参与到已形成的三维网络结构中,如果其用量不足,则固化产物中存在未反应的环氧基团。因此这类固化剂的加入量需要有一个合适的配比。催化型固化剂以阳离子方式或阴离子方式使环氧基开环进行加成聚合,而本身不参与到三维网络结构中,因此就不存在等当量反应的配比量,增加其用量反而使固化反应速度加快,不利于固化产物性能的稳定。
还可按固化温度分为低温、室温、中温及高温固化的固化剂;以及按固化条件分为潮湿型、水下型和特殊型固化剂等。常用胺类、改性胺类、酸酐类、咪唑类及聚酰胺类固化剂用量及固化条件见表1-8~表1-12。
表1-8 常用胺类固化剂
表1-9 改性胺类固化剂
表1-10 常用酸酐类固化剂
表1-11 咪唑类固化剂
表1-12 聚酰胺类固化剂
①相对比100g环氧树脂。
(4)环氧树脂胶黏剂其他组分 根据对环氧树脂胶黏剂的物理性能、机械性能与使用工艺性能等的不同要求,需在胶黏剂中添加增塑剂、增韧剂、填料、促进剂、偶联剂、触变剂等组分。
(5)环氧树脂胶黏剂的品种及性能 按照环氧树脂胶黏剂胶接接头受力情况,可分为结构胶和非结构胶。结构胶应具有较高的胶接强度,胶接接头要能承受较大的荷载。例如,在航空工业和建筑结构上,结构胶用于胶接受力结构或次受力结构的构件上。非结构胶一般不承受任何较大荷载,它只用来胶接受力较小的制件或作为定位使用。常用通用型环氧胶黏剂的部分品种见表1-13,常用环氧树脂结构胶黏剂见表1-14。
表1-13 常用通用型环氧胶黏剂的部分品种
注:①混胺由间苯二胺与
表1-14 常用环氧树脂结构胶黏剂
酚醛树脂是第一个人工合成的高分子化合物。早在19世纪后期,化学家已对此类树脂进行了研究,然而其缩聚反应难于控制。1909年伯克兰(L.H.Backland)首先合成了有应用价值的酚醛树脂体系,从而开创了酚醛树脂的工业化生产。现在酚醛树脂是最重要的合成材料之一,在胶黏剂方面已大量应用。起初酚醛树脂胶黏剂主要用于胶接木材,制造胶合板,后来也用于胶接金属、塑料等。现在改性的酚醛树脂胶黏剂已广泛地应用于飞机、船舶、汽车、机械、电气等工业部门。
酚醛树脂胶黏剂最突出的特点之一是具有高的耐热性。由于酚醛树脂中含有大量的苯环,固化后又成交联密度较大的体型结构,因此固化后的胶层具有较大的刚性和优异的耐热性能,在300℃下仍具有一定的胶接强度。另外,由于酚醛树脂的大分子中含有极性较大的羟甲基和酚羟基,故对金属和非金属都有良好的粘接性能。
酚醛树脂胶黏剂的主要缺点是性能较脆,固化收缩大,因此限制了它的用途。后来人们利用某些柔性高分子物,如橡胶、聚乙烯缩醛等对它进行改性,并制得一系列韧性好,强度高,耐热性优良的改性酚醛树脂胶黏剂。
(1)酚醛树脂的合成及固化原理 酚醛树脂是以酚类(如苯酚、甲酚、二甲酚等)与醛类(如甲醛、乙醛、糠醛等)在催化剂的作用下,经缩聚反应而制备的一种聚合物。通常用于配制胶黏剂的酚醛树脂是苯酚与甲醛经过缩聚而制得的一种低分子量树脂。在树脂合成过程中,所发生的化学反应主要是加成反应和缩合反应。
加成反应
缩合反应
随着苯酚与甲醛的摩尔比、介质pH值和催化剂种类的不同,得到的低聚物也是不同的。
当使用酸性催化剂(如盐酸、硫酸、草酸或氯乙酸),且甲醛和苯酚的摩尔比小于1时,苯酚和甲醛发生加成和缩合反应,但后者速度大于前者,故生成线型酚醛树脂,其通式为:
由于线型酚醛树脂加热时可熔,因而又称为热塑性酚醛树脂(二阶树脂)。
当使用碱性催化剂(氢氧化胺、氢氧化钡、氢氧化钠等),且苯酚和甲醛的摩尔比控制在1.1~1.5时,苯酚和甲醛的反应以加成反应为主,生成了含羟甲基较多的甲阶酚醛树脂,其通式为:
甲阶酚醛树脂因含有羟甲基量多,所以甲阶酚醛树脂加热时,由于羟甲基与苯酚的邻对位上的氢缩合及羟甲基本身的醚化,形成体型结构。而固化线型酚醛树脂因羟甲基含量少,仅靠加热不会使其固化,需要另加固化剂(如六亚甲基四胺、多聚甲醛等)并加热方能固化。酚醛树脂的固化一般要求在较高的温度下进行,工业上常控制在170℃左右。由于酚醛树脂缩聚过程中有低分子挥发物放出,因此固化时必须施加较大的固化压力,胶层的体积收缩率较大。
(2)酚醛树脂胶黏剂的品种及性能
1)未改性的酚醛树脂胶黏剂 未改性的酚醛树脂胶黏剂的品种很多,现在国内常用的主要有酚钡树脂胶、醇溶性酚醛树脂胶和水溶性酚醛树脂胶三种。它们主要采用甲阶酚醛树脂为黏料,在室温下与酸性催化剂作用,能固化成坚固的、有黏附性的胶层。常用的酸性催化剂有石油磺酸、对苯甲磺酸、磷酸的乙二醇溶液或盐酸的酒精溶液等。未改性的酚醛树脂主要用于胶接木材、木质层合板、胶合板、泡沫塑料及其他多孔材料。
2)改性酚醛树脂胶黏剂 未改性的酚醛树脂胶黏剂由于性能较脆,使用受到限制。若在其中加入橡胶或其他韧性好的高分子化合物,则可制成耐高温、韧性好、强度大的改性酚醛树脂胶黏剂。
①酚醛-丁腈胶黏剂。在改性酚醛树脂胶黏剂中,酚醛-丁腈胶是其中最重要的一种。它成功地结合了酚醛树脂与丁腈橡胶两者的优点,既有酚醛树脂的黏附性、热稳定性,又有丁腈橡胶的韧性、耐介质性能。其优点如下:
a.具有较高的胶接强度,柔韧性好,粘接力强,尤其具有较高的剥离强度,因而可用作结构胶黏剂。
b.具有广泛的使用温度范围,一般可在-60℃~+150℃范围内使用,有的胶种还可在250℃下使用。
c.具有很好的耐油性、耐溶剂性及较好的耐大气老化性能。
d.该胶既可作成胶膜,又可配成胶液,使用方便。
由于酚醛-丁腈胶黏剂具有上述优点,因而被广泛应用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等材料的胶接中。
国内研制生产的酚醛-丁腈胶黏剂的品种很多,根据它们的性能差异,这类胶黏剂可分为三类:高强度的胶,如J-01、J-04、JX-4;高强度、高韧性胶,如J-03、J-10、JX-5(705);高强度、高韧性、耐高温的胶,如J-15、J-16、JX-9。
②酚醛-聚乙烯醇缩醛胶。在改性酚醛树脂胶黏剂中,酚醛-缩醛胶黏剂也是其中重要的一类。此类胶是由聚乙烯醇缩醛对纯酚醛树脂胶进行改性后而制成的。由于聚乙烯醇缩醛树脂本身具有很好的韧性及较好的黏附性,因此,用聚乙烯醇缩醛树脂改性的酚醛树脂胶就兼备了酚醛树脂与聚乙烯醇缩醛树脂二者的长处。正是由于这类改性胶的粘接性能优异,原料来源方便,价格又低廉,因此,自很早以来,酚醛-缩醛胶就已作为结构胶黏剂使用。目前已广泛用于飞机制造、船舶制造、刹车片的胶接及其他各种材料的胶接。
酚醛-缩醛胶由于具有韧性基团,因而对金属和非金属材料都有良好的粘接力。
酚醛-缩醛胶黏剂具有良好的耐大气老化和耐疲劳性能。用这类胶胶接的试样,在室外做长期自然老化试验,其剪切强度下降很少。另外,酚醛-缩醛胶黏剂的耐介质性能良好,如在水或盐水中浸泡30d后,试样的剪切强度下降很少。
影响酚醛-缩醛胶黏剂性能的主要因素是缩醛与酚醛的比例以及缩醛的类型。
采用不同的缩醛与酚醛树脂配合其性能就有所不同。缩醛用量大,剪切强度就高,柔韧性增强,但耐热性下降;酚醛用量大,耐热性提高,但柔韧性降低。
酚醛-缩醛胶中的缩醛主要是指聚乙烯醇缩甲醛和聚乙烯醇缩丁醛。用聚乙烯醇缩甲醛改性的酚醛-缩醛胶耐热性较好,但柔韧性较差;而用聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛-缩醛胶柔韧性较好,但耐热性较差。
常用的酚醛-缩甲醛胶黏剂及酚醛-缩丁醛胶黏剂的组成见表1-15和表1-16。
表1-15 酚醛-缩甲醛胶黏剂的组成及固化工艺
表1-16 酚醛-缩丁醛胶黏剂的组成及固化工艺
③酚醛-缩醛-有机硅胶黏剂。此胶黏剂耐热性较差,不能用于200℃以上的工作环境。在这类胶黏剂中加入适量的有机硅单体或聚有机硅氧烷,可以提高耐热性,能在-60℃~+200℃下长期工作;短期工作温度可达300℃。耐热性提高,主要是胶固化后的大分子结构中引入了热稳定性高的硅氧键,同时胶的交联密度增加。这类胶黏剂除了酚醛树脂、聚乙烯醇缩醛两种主要成分之外,另一个主要成分就是有机硅单体和聚有机硅氧烷。有机硅单体种类和用量对胶接强度有明显影响,从表1-17就可以看出,正硅酸乙酯比甲基三乙氧基硅烷好,正硅酸乙酯用量为30份(质量)时胶接强度最佳。
表1-17 有机硅单体种类与用量(质量份)对胶接强度的影响
J-08胶和204胶是这类胶的代表,从其配方中可以更加了解酚醛-缩醛-有机硅胶黏剂的组成情况。见表1-18和表1-19。
表1-18 204胶和J-08胶的主要成分
表1-19 204胶和J-08胶的性能
酚醛-缩醛-有机硅胶黏剂在我国已有的胶黏剂品种所占的比例较小,仅举J-08胶和204胶的性能列于表1-19。
④酚醛-缩醛-环氧胶黏剂。环氧树脂具有很高的胶接强度,但其耐高温性能较差。而酚醛树脂可弥补这方面的缺陷。另外,酚醛树脂中含有大量的酚基和羟甲基,在加热时可固化缩醛树脂和环氧树脂,形成高度交联的结构。
若用环氧树脂,一般采用高分子量的环氧树脂,而酚醛树脂大都采用含羟甲基的热固性树脂。为了获得较好的高温强度,酚醛树脂的用量比环氧树脂大。同时为了提高其高温下抗氧化能力,应在胶黏剂中添加没食子酸丙酯等防老剂。SY-32胶黏剂、E-4胶黏剂等均为酚醛-缩醛-环氧树脂胶黏剂。
a.SY-32胶
组成:酚醛、缩甲乙醛和环氧树脂等。
性能:胶接铝合金,室温下的剪切强度>27.4MPa,不均匀扯离强度为66.6kN/m。
配方见表1-20。
表1-20 SY-32胶黏剂的配方
固化条件:压力0.3MPa,170℃下固化2h。
应用:适合于金属件的胶接。
b.E-4胶
组成:酚醛、缩甲乙醛和环氧树脂等。
性能:胶接铝合金,常温下的剪切强度为23.5MPa,不均匀扯离强度为25.3kN/m。在150℃热空气中老化1000h后,室温测剪切强度为17.6MPa;250℃下测剪切强度为6.96MPa。
配方(质量份)如下:
甲组分:锌酚醛树脂 15.7 E-44环氧树脂 4.7
聚乙烯醇缩甲乙醛 12.6 溶剂(乙酸乙酯:无水乙醇=7:3)67
乙组分:2-乙基-4-甲基咪唑
甲组分:乙组分=100:1
固化条件:压力为0.05MPa~0.1MPa。先在80℃固化1h,然后在130℃固化。
应用:适合于铝、钢和玻璃钢的胶接,也可用于砂轮粘接。
⑤酚醛-尼龙胶黏剂。尼龙有较高的韧性和机械强度,但不溶于普通溶剂。若以一定量的甲醛,在一定温度下处理聚酰胺一定时间,可获得羟甲基聚酰胺。这种聚酰胺溶解性能好,黏附性能高,与酚醛树脂的—CH 2 OH基团反应固化,可获得良好的胶接强度。
如常用牌号SY-7胶的配方(质量份)如下:
羟甲基尼龙 80
甲阶酚醛树脂 20
乙醇 250
该胶在0.3MPa的压力下,经155℃±5℃,1h固化后,常温下对铝合金的胶接剪切强度为16.8MPa~22.4MPa,60℃时的剪切强度为9.3MPa~9.4MPa。
⑥酚醛-氯丁橡胶胶黏剂。氯丁橡胶是由氯丁二烯单体聚合而成的一种合成橡胶。氯丁橡胶与普通的酚醛树脂混溶性不好,只能与油溶性酚醛树脂(如叔丁酚醛树脂)相混溶。油溶性酚醛树脂的耐热性较通用性酚醛树脂低,故酚醛-氯丁橡胶胶黏剂一般不作结构胶黏剂使用。现在通用的XY-401胶就是用叔丁酚醛树脂与氯丁橡胶制成的,其配方(质量份)如下:
氯丁混炼胶 113 乙酸乙酯 272
叔丁酚甲醛树脂 100 汽油 136
其中的氯丁混炼胶的组分配方(质量份)为:
氯丁橡胶 100 氧化镁 10
氧化锌 10 叔丁酚甲醛树脂 5
该胶可用于金属、玻璃、橡胶、织物、聚氯乙烯等材料之间的胶接。
丙烯酸酯胶黏剂是以各类丙烯酸酯为基料配制而成的反应型胶黏剂。其特点是不需严格称量,使用方便,固化快,强度较高,适用于多种材料的胶接。其包括: α -氰基丙烯酸酯胶,即瞬干胶;丙烯酸双酯胶,即厌氧密封胶;第二代丙烯酸酯胶黏剂。
(1) α -氰基丙烯酸酯胶黏剂 以 α -氰基丙烯酸酯单体为主要成分,加入增塑剂、增稠剂、阻聚剂等配制而成的单组分胶黏剂。它利用被粘物上所含的水分催化固化,使之牢固地胶接在一起,在20℃~25℃下固化时间为1min左右。它具有使用方便、黏度低、易浸润、用量少、室温固化快、强度高、透明性好、无溶剂等优点。但脆性大,不耐冲击和振动,耐热、耐水、耐溶剂与耐候性能差,价格高。据报道国外已有使用温度达120℃与246℃的这一类型的高温胶黏剂。在涂胶时当环境相对湿度>70%,在胶缝周围表面易结霜白化。除软聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯与聚四氟乙烯等惰性材料外,它可胶接所有金属与非金属材料。国产品牌有501与502瞬干胶。
(2)厌氧密封胶 又名绝氧胶,嫌气胶,是一种新型胶黏剂,它与氧气和空气接触时不会固化,一旦隔绝空气后,便很快聚合固化。所谓厌氧是指这种胶使用时不喜欢氧的意思。
厌氧胶可用于密封、胶接、紧固、防松等方面。
厌氧胶由丙烯酸酯类单体、引发剂、稳定剂、增塑剂和其他助剂组成。
丙烯酸酯类单体是厌氧胶的主要成分,约占90%以上,包括丙烯酸和甲基丙烯酸的双酯或某些特殊的丙烯酸酯。
厌氧胶的固化属于自由基聚合反应,但又不同于一般的自由基反应。厌氧胶的基本组分在引发剂引发自由基后,容易吸收氧再与另一个自由基相结合,生成稳定的过氧化物,从而在短时间内消耗掉初始自由基,失去了继续引发其他基本成分产生链增长的能力。这就是说,大量氧的存在,引起了阻聚作用,当绝氧后,引发剂又使过氧化物分解产生自由基,进而引发聚合,实现交联固化。
厌氧胶品种很多,但常用的有二十几种。国产牌号有XQ-1、XQ-2、Y-150、Y-82、BN-501、BN-601、铁锚300、301、322、342、352、360、370、372、YY-101、102;性能比较先进的GY系列,品种有GY-340(高强度紧固密封)、GY-280(渗入密封和锁固)、GY-168、GY-168A(柔性密封胶)等。
(3)第二代丙烯酸酯胶黏剂 现代科学技术的发展,要求胶黏剂强度高、耐久性好、固化迅速、使用方便、节约能源、减轻污染,也就是具有优异的综合性能,最好是能适用于多种材料的胶接,而又不必进行特殊的处理。第二代丙烯酸酯胶黏剂正是适应了这种需要,于20世纪70年代由美国杜邦公司开发成功,1974年投放市场的一种新型胶黏剂。由于第二代丙烯酸酯胶黏剂性能突出,别具一格,是目前胶黏剂中较理想的品种。因此,在欧洲被称为“蜜月胶黏剂”。第二代丙烯酸酯胶黏剂与其他类型胶黏剂相比有独到之处,其主要特点是:该胶为非混合型,使用方便,不需要计量与混合;可室温快速固化,5min~10min便可固化;胶接强度高;并可用于油面胶接。
第二代丙烯酸酯胶黏剂是由丙烯酸酯单体与接枝反应物、甲基丙烯酸、弹性体、韧性树脂、引发剂和促进剂等组成。所用单体主要是甲基丙烯酸甲酯;弹性体为丁腈橡胶或氯磺化聚乙烯;韧性树脂常用的有ABS;引发剂为异丙苯过氧化氢、过氧化羟基异丙苯等;促进剂有二甲基苯胺、苯胺丁醛缩合物等。
在促进剂的作用下使引发剂产生自由基,引发单体和弹性体发生链增长反应,形成单体与弹性体的接枝共聚物,因而表现出快速固化等优异的性能。应当注意,两组分应分开使用,少量混合尚可,多量混合会因聚合反应剧烈放热,不仅使胶报废,而且还有一定的危险性。
第二代丙烯酸酯胶黏剂出现较晚,品种不多,现仅有J-39、SA-100、SA-101、SA-102、SA-200、SA-201、SA-202、801、802、SGA-404等牌号。
由于第二代丙烯酸酯胶黏剂具有一系列的优异性能,现已广泛用于航空、汽车、机械、造船、电器、仪表、家具、工艺美术等部门的结构胶接、应急修补、装配定位、堵油防漏等。
聚酰亚胺树脂系由二胺化合物(作为胶黏剂所用的通常是4,4′-二氨基二苯醚)和芳香酸酐(如均苯四甲酸酐等)缩聚而成。先制得聚酰胺酸,然后在胶接固化工艺中高温脱水,环化得聚酰亚胺。其反应式如下:
聚酰胺酸
聚酰亚胺
该胶在-200℃~+260℃的温度范围内具有优良的力学性能和电绝缘性能,可用于铝合金、钛合金、不锈钢及高温应变片的胶接。该胶的牌号有:30-14 # 、P-32/P-36。
聚苯并咪唑树脂由间苯二甲酸二苯酯与3,3,4,4-四氨基联苯缩聚而成。其结构式如下:
聚苯并咪唑的预聚物可溶解在二甲基甲酰胺等溶剂中,配成约15%浓度的溶液即成胶黏剂。
该胶黏剂固化时在0.1MPa固化压力下,120℃下加热0.5h,再在200℃加热0.5h,然后再在250℃加热3h。
这种胶黏剂的使用温度范围为-253℃~+538℃,并可用来胶接不锈钢、45号钢、黄铜、铝合金等。如胶接铝合金时,室温剪切强度为30MPa,250℃剪切强度为20MPa。该胶抗氧化性差,高温时易氧化而破坏,只适于高温瞬时使用。
该胶的牌号有GW-1等。
聚氨酯胶黏剂是当前应用较多的胶黏剂品种之一,其最大的特点是很容易通过不同组分的调节,获得柔韧到坚硬的各种物理性能,因此适用范围广。
(1)聚氨酯胶黏剂的组成 聚氨酯胶黏剂通常为双组分,甲组分是含端羟基的聚酯、聚醚等多羟基化合物,或用异氰酸酯改性的端羟基聚酯、聚醚;乙组分是异氰酸酯或用含端羟基化合物(聚酯、聚醚等)改性的异氰酸酯封端的预聚体。使用时按照一定的比例进行调配,可以室温固化,亦可加热固化。
为了得到热固性的体型胶联结构,甲、乙两组分中至少有一组分为三官能度以上的化合物。
聚氨酯胶甲、乙配比因其胶接用途不同而异,见表1-21。
表1-21 聚氨酯胶甲、乙配比的选择
甲组分增加,可增大韧性,提高聚氨酯胶的剥离强度,但剪切强度有所降低。
乙组分的结构对性能有很大影响,脂肪族异氰酸酯制得的聚氨酯胶高温强度低,而芳香族异氰酸酯则兼有优异的高低温性能。
(2)聚氨酯胶黏剂的性能 聚氨酯胶黏剂有如下一些性能特点:黏附性能好;耐低温性能优异;可室温或加热固化;耐热性不高(60℃~80℃)。
(3)聚氨酯胶黏剂的用途 聚氨酯胶黏剂用途很广,可用于金属、橡胶、纤维、木材、陶瓷、玻璃、皮革等自身或相互之间的胶接,甚至对难粘塑料,如聚乙烯、聚丙烯也有一定的粘接强度。它主要用于软质材料、耐冲击振动和低温场合的胶接,广泛应用于汽车、纺织、磁带、家具、电器、制鞋、包装等工业。表1-22为聚氨酯胶能够胶接的具体对象。
表1-22 聚氨酯胶黏剂胶接对象示例
注:√表示可以胶接。
聚氨酯胶黏剂的品种很多,国产牌号有JQ-1、JQ-2、JQ-3、铁锚101、102、AZ-1、AZ-2、长城404、405等。
橡胶胶黏剂一般是由橡胶主体加入增塑剂、增黏剂、防老剂、填充剂、溶剂等配制而成。它们的形态有溶液型、乳液型、胶膜、胶带与腻子等多种形式。橡胶胶黏剂由于其主要成分是橡胶或弹性体,故起始粘接强度大(亦初黏力大),有足够的内聚强度,富有柔韧性,有一定的耐环境能力,特别适合于柔软的或线膨胀系数相差大的不同材质的胶接。但它的强度较低,不能承受较大的载荷,耐热与耐低温性也差。它属于非结构胶黏剂,广泛用于橡胶与橡胶,橡胶与皮革、织物、塑料、金属等自身或相互间胶接。
天然橡胶与合成橡胶均可用来配制橡胶胶黏剂,氯丁胶黏剂有XY-401、XY-402、XY-403、XY-406、XY-6、FN-303、FN-304、FN-305、FN-309、801、802、813、815、825、841、CR-202、长城牌202、长城牌303等。它是一种通用性很强的胶黏剂,广泛应用于国民经济的各个部门。丁腈胶黏剂具有优异的耐油性,较好的粘接性和良好的耐热性,尤其适用于聚氯乙烯板、薄膜、软质材料的胶接。聚硫橡胶胶黏剂有XM-21与XM-33等,主要用于嵌缝密封胶接。丁基与聚异丁烯胶黏剂适用于塑料中聚乙烯、聚丙烯以及与它们相同的橡胶与金属、塑料之间的胶接。有机硅橡胶胶黏剂有好的耐高低温性(-115℃~300℃)、耐老化、耐臭氧与紫外线、电性能、耐水性好等,适用于胶接玻璃、陶瓷或硅橡胶与金属,但强度低。工业中常用的橡胶胶黏剂见表1-23,各种橡胶胶黏剂的性能比较见表1-24。
表1-23 常用橡胶胶黏剂
表1-24 各种橡胶胶黏剂的性能比较
溶液胶黏剂就是将高分子的均聚物或共聚物溶解于适当的溶剂之中,配成一定浓度的胶液,实质上就是高分子溶液用作胶黏剂。
(1)溶液胶黏剂的性能特点 ①配制容易,多为单液型,使用简便;②固化温度低,可室温固化,不需加热;③黏度低、易润湿、工艺性好;④靠溶剂挥发的物理作用实现固化,收缩率较大,强度不高。
溶液胶黏剂因是靠润湿渗透、扩散溶解、溶剂挥发的物理作用实现胶接,所以胶接强度较低,耐热性较差,是一种非结构胶黏剂,主要用于热塑性高分子材料的胶接与修补,在热塑性塑料的胶接上最为常用。
(2)溶液胶黏剂的配制 由于高分子的溶解要经历溶胀和溶解两个阶段,溶解速度很慢,必须给予足够的时间,使其完全溶解,方可使用。
溶液胶黏剂配制的关键是溶剂的选择,要综合考虑溶剂的溶解性、挥发性、毒性、安全性和经济性而定。其中溶解性又是最主要的,若对高分子不溶,这种溶剂根本不能用。某一溶剂对高分子是否溶解,一般可用“相似则溶”的经验原则、溶解度参数相近的原则和混合溶剂原则进行判断。应该指出,有时混合溶剂的溶解能力,往往比单一溶剂强,并有良好的综合性能,一般多用混合溶剂。
至于溶剂的挥发性也很重要,挥发太快,表面易结膜,内部难挥发,工艺上也不易控制;挥发太慢,溶剂难除,不但使胶接时间增长,而且还会损害胶接性能。
(3)溶液胶黏剂的品种 溶液胶黏剂的品种很多,现将几种具体配方列入表1-25中。
表1-25 溶液胶黏剂配方
此外,还有由多种树脂制备的溶液胶黏剂。如Q98-1硝基胶液,由硝化棉、醇酸树脂、增塑剂、酯、酮、醇、苯类等混合溶剂调制而成,用于织物对木材或金属材料的粘合,具有干燥快、粘接力强、耐水、耐油及抗菌等性能。G98-1过氯乙烯胶液由过氯乙烯树脂、醇酸树脂、增塑剂、酯、酮、苯类等混合溶剂调制而成,有良好的防霉、防潮性,用于硬PVC及软PVC塑料、纺织品与木材、金属之间本身与相互胶接。
另外,乳胶是由高聚物微粒悬浮在水中形成的溶液胶黏剂,该胶干燥后微粒胶接在一起,并由范德华力所连接,已经干燥的树脂,不再溶于水,加热会使高聚物熔化,并改善其性能。目前应用最多的乳胶有丙烯酸与醋酸乙烯酯乳液两大类。最普通市售乳白胶,即醋酸乙烯酯乳液,它用于胶接木材和其他材料。
热熔性胶黏剂是无溶剂的固态胶黏剂。胶接时,先将胶黏剂加热至熔融态再使用,胶接接头在冷却过程中形成。石蜡、沥青、松香是最早使用的热熔胶。以合成树脂为基础配制的新型热熔胶是近年才大力发展起来的,热熔胶广泛用于书籍装订、制鞋、服装、木质家具及胶合板的胶接。
(1)热熔胶的组成 热熔胶也是含有多种组分的胶黏剂。它是以热塑性聚合物为黏料,添加增黏剂和石蜡等配制而成的。根据不同的需要,必要时还可适量地加入增塑剂、抗氧化剂和填料等。
(2)热熔胶的性能特点
①快速胶接。热熔胶受热后在两个胶接面充分浸润贴合后,加压下冷却,只需几秒钟就可凝固。
②不含溶剂。热熔胶是一种不含溶剂的固态胶。因此有利于运输和安全生产。
③装卸方便。热熔胶的凝固过程是可逆的,可以通过加热和冷却进行反复拆卸和装配。
④成本经济。热熔胶凝固速度快,因此适用于大批量的自动化流水线生产,生产快速、产量高、成本低。
热熔胶的不足之处是:尽管这种胶在凝固时不需要加热,但在涂胶时必须要加热胶料。热熔胶的耐热性不高,胶接强度一般低于化学反应固化胶黏剂。多品种、小批量使用这种胶黏剂时经济效果不高。
(3)几种常用的热熔胶
1)EVA热熔胶主体树脂EVA是乙烯与醋酸乙烯的共聚物,以它为基料配制的热熔胶称之为EVA热熔胶,是目前用得最多的热熔胶。
EVA热熔胶的一般组成(质量分数,%)为:
EVA(含VA18%~40%) 20~60 填料 0~50
增黏树脂 20~60 稳定剂 0~2
蜡 0~20 抗氧剂 0.1~1.0
增塑剂 0~20
EVA热熔胶主要用于包装、无线装订、家具装饰面和烯烃塑料等的胶接。
2)聚酰胺热熔胶与EVA热熔胶相比有更好的柔韧性、挠曲性和耐介质性。典型的配方(质量份)为:
聚酰胺树脂(中软化点) 89
磷酸三苯酯 9
石蜡 2
聚酰胺热熔胶常用于家具制造、电池密封、金属罐头侧缝胶接等方面。
3)聚酯热熔胶基料聚酯是饱和线型热塑性树脂,加入增塑剂、增黏剂、填料、抗氧剂等便成为聚酯热熔胶,其典型配方(质量份)为:
聚酯树脂 100
石油树脂 20
叔丁酚醛树脂 20
滑石粉 10
二苯基辛基亚磷酸酯 1
聚酯热熔胶具有较高的耐热性,耐冲击性高,电绝缘性优异,耐介质性较佳。其缺点是加热熔融时黏度较大,手工操作比较困难。聚酯热熔胶可用于胶接金属、织物、薄膜、塑料等。
压敏胶黏剂,顾名思义,就是对压力十分敏感,稍微一加压就能把被胶物粘住。
(1)压敏胶黏剂的组成 压敏胶常以胶带的形式使用。压敏胶带主要由压敏胶黏剂和基材等部分组成。压敏胶黏剂是其中最重要的部分,它的作用是使胶带具有对压力敏感的黏附特性。压敏胶黏剂按其主要成分可以分为橡胶型和树脂型两大类,前者以天然橡胶或各种合成橡胶为主体材料,配有一定量的增黏树脂增塑剂等组成;后者则以丙烯酸酯、聚烯烃等为主体材料。
基材是支撑压敏胶黏剂的基础,要有一定的机械强度。目前作为基料的材料有:①纺织类,包括棉布、合成纤维及玻璃布等;②塑料薄膜类,包括聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯等薄膜;③纸类,包括牛皮纸等。
(2)压敏胶黏剂的性能特点
①施加轻度指压,就能牢固粘合。
②可反复拆贴,多次重复使用。
③对各种材料都有一定的粘接力。
④具有一定的抗剥离强度。
⑤不污染被粘物表面。
⑥使用极为方便。
⑦储运容易,无毒安全。
随着科学技术的发展及胶黏剂应用的日益扩大,出现了一类特种胶黏剂。它们独具特色,呈现特殊的性能,胶接特殊的对象,能满足特殊的要求。这些特种胶黏剂包括超低温胶黏剂、导电胶黏剂、点焊胶黏剂、光敏胶黏剂、应变胶黏剂、医用胶黏剂、泡沫胶黏剂、水中胶黏剂等胶种。受篇幅所限在此不详述。
今日的胶(粘)接技术已为工业、农业、医疗及日常生活提供了快捷、简便、低成本的连接方式。只要是使用过胶黏剂的人们都会感到它的方便与高效。粘接技术发展的历史证明,它是一种合理的工艺,它已不是只应用于修修补补的场所,而是涉及几乎所有的领域。人们也不只是看到它的耐温不够,耐冲击不好的不足,而是从理论与实践中认识了粘接技术在不少方面,甚至比焊接与铆接还有其独特的优势。在有些焊、铆连接不便或不能办到之时,粘接技术则能大显神通。如:异种材料的连接,易碎的陶瓷、玻璃等材料的连接,超薄材料的连接等,粘接技术都具有突出的优点。以粘接代替铆接可以将铝板的厚度由1.2mm减小到0.51mm(在其他性能满足要求的前提下),有人统计过粘接金属零部件,每吨胶黏剂可节省紧固件1.8t,且减轻了质量、节省了人工,其先进性已被千万实例所证明。远不说飞机制造中没有粘接技术几乎不可能,就是今天的建筑行业已经大量使用胶接技术于现场施工,旧房改造、防灾防震、加固补强完全可以胜任结构中的承载与长时间使用寿命的要求,就是在调查一些飞机损坏的事件中发现,金属因疲劳断裂引起,而其粘接部位则完好无损;用胶黏剂将钢板粘贴于破损的混凝土铁路桥底部用于加固,已运行十年仍在正常使用……这些都证明胶黏剂的应用技术是安全、可靠的,同时说明,只要合理选择胶黏剂、合理设计加之正常使用,胶黏剂完全可以替代焊接,用于结构部件的连接。应该消除传统偏见,正确认识胶黏剂粘接技术简单方便、牢固可靠、应急解难、用途广泛、防腐美观、高效节能等独特的优点,以充分发挥胶黏剂粘接技术的威力。
(1)粘接部位的认识和确立 粘接的功能大致分为两类:一是用于各种物件的修复、加固;二是应用于生产产品的制造工艺中。无论何种情况,在确定了被粘接的基材之后,都需要对各种不同材料粘接部位的情况,尽可能的了解清楚。如物件的表面状态(包括结构、强度、硬度、组织状况等)、清洁程度、被破坏或损坏的情况、粘接部位等,只有经过一番具体的观察与检查(必须进行检测),才能为粘接的实施做好准备,特别是肉眼难以观察的,如细微裂缝、组织状况等,要采用一些有效的方法进行判断,然后再进行下一步的粘接方案确定及表面处理。
(2)粘接技术中的组合胶黏剂的运用 将不同特性的胶黏剂,根据其粘接技术中的需要进行配合使用,即在同一粘接施工操作中,同时使用两种或两种以上的不同胶种,以完成其粘接及粘接后的性能要求,可称为组合粘接技术。它是粘接方法的新发展,对于扩大其粘接应用范围、简化工艺,具有很大的意义。两种以上胶种的同时使用,可扬长避短,充分发挥其各自的优点,获得良好的综合性能,更有效地解决实际问题。
(3)连接方法的混合应用技术 混合连接的方法是指用粘接和机械共同相结合应用的方法,它能够扬长避短、相得益彰,使混合连接的部位可靠性大大提高。常用的混合方法有:粘接-铆接、粘接-螺接、粘接-焊接、涂胶-缝制、粘接-钉接等。
①粘接-铆接 粘接与铆接并用,能够提高接头的连接强度,提高其承载能力和可靠性,减少铆钉孔的应力集中,提高结构件的疲劳强度等。
②粘接-螺接 粘接与螺接并用,也能够提高接头的连接强度,使部件延长寿命、可靠,提高耐久性能等。粘接用胶黏剂要选用固化过程中不产生低分子物的加聚反应的胶种。在建筑业现场施工的装修、加固和补强中大量应用,也大量用于机械制造等行业中。
③粘接-焊接 粘接与焊接并用,可简化工艺、保证密封、防止腐蚀、减轻质量、使表面光滑且牢固可靠、降低成本等。现大量的应用于汽车制造和其他行业之中。
④复合连接 复合连接的夹层结构由两块(或内外层)薄型的,但强度、刚度、硬度较大的材料(或称蒙皮)及夹在其中较厚、较弱、较韧或较软的夹芯材料(或称芯子)粘接而成,这种复合连接方式可减轻质量,具有较高的稳定性,强度、刚度与质量的比值高,还具有能量阻尼和离散效应以及耐疲劳、隔热、隔声、抗声振等性能。它在新的复合材料制造,飞机、汽车及新型建材等制造中大量应用。
以上这些粘接技术还在运用中不断发展,将会有更多的新技术问世。
(1)正确选用胶黏剂的意义 在确定了粘接方案之后,就是要选用好的胶黏剂来解决粘接中的具体问题。粘接过程中要涉及被粘物、受力状态、胶黏剂、工艺方法、环境因素等。被粘物有不同的表面性质,而胶黏剂有不同的粘接性能,工艺上还有不同的具体要求,粘接件也有不同的受力类型,使用时更有不同的环境条件,所有这些复杂的情况,决定了不能随意拿来一种胶黏剂就去进行粘接。现在不存在,今后也不可能有“万能”的胶黏剂,只有根据具体要求,进行适当的选用。
因为任何一种胶黏剂都有其长处,也有其不足。所谓胶黏剂的选用就是要用其长、避其短,充分发挥粘接技术的优势。否则不是收效甚微,就是徒劳无功。因此,正确地选用胶黏剂是决定粘接成败的关键之一,认真地选用合适的胶黏剂是非常有意义的。
选用胶黏剂应注意以下几点。
①胶黏剂种类很多,同一品种可能有多种牌号,不可能逐一去试。应掌握好胶黏剂方面的相关知识,在有科学根据的基础上,按照胶黏剂自身的性能特点、粘接对象的实际情况以及施工与使用时的条件,结合实际使用经验进行筛选。
②在可以满足要求的前提下,也会有多种胶黏剂可供选择的情况,此时应对相似的胶种进一步进行细微的比较、综合分析,做到所筛选胶种其性能先进、安全可靠、经济合理。
③对于批量生产的产品的粘接,或是大量的机件(构件)修复粘接(能方便实现机械化施工等)及重要部件的粘接,还应注意提高生产效率,杜绝事故和避免浪费。
以上几点应是在认识其选用胶种的意义上特别加以关注的。
(2)胶黏剂的选用原则 因为粘接技术是一门年轻的科学,对如何选用胶黏剂还缺乏系统的理论方法和完整的计算与数据资料,现在主要还是靠实际积累的知识和经验,可以说基本是定性的,然而还是有一些原则可循。
1)了解与熟悉所选用胶种的全面性能 要进行胶接,胶黏剂就是基础,选用胶黏剂,其性能又是重要依据。不同性能,决定着它们的各种用途,只有熟悉各种胶黏剂的性能,才能得心应手地进行选用。
特别是采用市场购买的胶种时,更要多了解说明书中未曾提到的,但对你选用又十分重要的性能。尤其是用于结构构件粘接中长期使用的部件以及特殊要求的粘接:如耐温、耐酸等;还如要求耐久性、耐老化性能、耐热性、施工时的工艺性等。表1-26列出部分胶黏剂的参数性能。
表1-26 部分胶黏剂的参数性能
注:RT指室温。
2)摸清被粘物的性质与状态 在粘接时所碰到的被粘物种类实在太多了,它们性质各异,状态不同,即使是同一类材料其性质也不尽一致。在选用胶黏剂时,必须依据被粘接材料的具体特性去选择合适的胶种。被粘接材料可大致分为金属材料、非金属材料和复合材料。
一般来说,环氧树脂胶对金属材料比较容易粘接。但不同的金属其粘接强度是有差别的。如钢、铁及铝材,环氧树脂胶粘接容易实施;而不锈钢、镍、铬等则不易粘牢。这些金属在强度要求较高时,应对表面进行适当处理。
非金属材料有:橡胶、塑料、陶瓷、玻璃、石材、混凝土、木材、纸张、织物、皮革类、橡塑材料等。
橡胶分为天然橡胶、合成橡胶、热塑性弹性体等。它的特点是弹性大,易挠曲,一般使橡胶胶黏剂粘接,但一些硫化厚的橡皮可以用环氧胶,不过一定要进行表面处理才行,处理好了粘接后有相当的粘接强度。
塑料分为热固性和热塑性两大类,热固性塑料为不熔不溶的体型结构,如环氧、酚醛、脲醛、不饱和聚酯树脂等塑料,选用热固性胶黏剂粘接。热塑性塑料为可熔可溶的线型结构,不适合用环氧胶粘接,聚烯烃塑料环氧胶也难于粘接,如要粘接,则要进行处理再进行粘接,同种热塑性塑料的胶接一般采用溶液胶黏剂。
陶瓷、玻璃、石材、混凝土是热膨胀系数小的极性材料,硬度大、脆性也大,在胶的性能上注意选择用强度高、收缩小、韧性好、弹性模量适中、室温固化的环氧树脂胶黏剂。
总之,应充分了解其被粘对象后,再选用合适胶种,这里可以用“相似者相粘”的原理进行初步选胶。
应注意到胶黏剂对被粘物的湿润性是实现粘接的先决条件,表面张力与湿润性有关,所以尽量选用表面张力低于被粘物的胶黏剂。
3)明确被粘物件的用途及使用条件 粘接物件当然是起连接作用,但同时还会有其他用途与目的,可包括:连接、密封、紧固、定位、堵漏、填充、绝缘(导电)、导热(绝热)、防腐、灌注、修复尺寸(长肉)及辅助加工等。大多数情况,是以其中一两种用途为主而兼顾其他。在连接作用的同时要考虑到粘接部位的受力大小、受力状态等。受力大的、用于结构的应选用结构胶黏剂,受力小的或非受力部位选用半结构胶或非结构胶。总之应明确其粘接目的和用途。
粘接后的使用条件亦是选择胶种的重要条件。因为粘接部件是在一定的环境中使用,而使用时的条件对粘接性能有重要影响,这些条件有:温度、湿度、耐介质、光、氧、水分、射线、盐雾及某些特殊条件等。
①温度:胶黏剂的性能与使用温度密切相关。通常情况下,其粘接强度随温度升高而下降,而温度过低时一般胶黏剂会变脆。不同品种的胶黏剂耐温性能不同,应加以注意。
②湿度:湿气和水分对粘接界面的稳定是很不利,有害无益的。被粘物件在使用中难免接触空气和水分,水分子体积小,极性大,它能通过胶层类似毛细管的作用,渗透、扩散、积累于粘接界面,取代已形成的次价键,并水解某些化学键,使粘接界面破坏或自行脱开,而造成粘接强度和耐久性降低。
③耐介质:介质主要指化学物质酸、碱、盐、溶剂等,不同类型的胶黏剂,不同的固化条件,耐介质能力也不同,可根据被粘物接触到介质而选用胶黏剂。
④户外大气:户外使用的被粘物的条件较复杂:气温的周期变化,风吹雨淋,日晒冰冻,冷热、光、氧、臭氧、紫外线等的综合作用,能加速胶层老化使使用寿命缩短;特别是盐雾、湿热环境更为恶劣。所以,在户外条件下应选用高温固化或耐大气老化好的胶黏剂。
4)充分考虑施工工艺的方便与可能 胶黏剂的选用不能只注重于强度高、性能好,还得考虑工艺条件是否符合要求。像被粘物耐热性差、热敏等,如热塑性塑料、橡胶制品、电子元件或大型设备、易燃储罐等,因加热困难都不能选用高温固化的胶黏剂。对于那些大型、异型、极薄、极脆等无法加压或不能加压的被粘物件也不要选用需加压固化的胶黏剂。
还有在连续生产的流水作业线上,如果不允许固化时间过长,就需要选用快速固化的胶黏剂。对于大面积的粘接,因施工时间长,就不宜选用室温快速固化的胶黏剂。
此外,黏度也是要着重考虑的条件。如灌注胶要有良好的流动性,0.2mm的细裂纹的灌注材料黏度要求十分的稀(5mPa·s);立面涂胶要求有零的下垂度(或好的触变性);施工用胶要有良好的涂抹性;另外,如水下施工等一些特殊要求,工艺条件亦是要考虑的条件。
5)应考虑成本和环境问题 采用粘接技术进行施工,总的来说效益是很大的,使用很少的胶黏剂就能解决很大的问题,节约很多资财。但在选用胶黏剂时要充分兼顾经济成本,考虑胶黏剂的价格和粘接后所能创造的价值。但对于产品制造、批量生产、所用胶黏剂量又较大,价格尤为重要,在保证性能等的前提下,尽量选用便宜的胶黏剂。
为了减少对环境的污染,保护我们生存的地球、保证健康、保证安全等,应该选用无溶剂或少含有机溶剂、无毒或低毒的胶黏剂,大力推广使用无溶剂胶、水基胶。
上述几点在实际选用胶黏剂时,不可能全都满足,只能根据具体情况,抓住主要方面而兼顾其他,做到综合分析、分清主次、全面考虑、合理选择。
胶接接头是由被粘物与夹在中间的胶层构成的,它是结构部件上的不连续部分,起着传递应力的作用。胶接接头的强度取决于被粘物本身的强度、胶黏剂的内聚强度和胶黏剂与被粘物界面的结合强度。在实际测试中的强度主要是这三者之中最薄弱环节的强度值。但可以通过改变接头形式、几何尺寸与加工质量等,使其最薄弱环节的强度得以提高,使粘接的优势得到充分发挥,所以必须设计确定合理的粘接接头结构。接头设计的目的就是使胶接接头与被粘材料具有几乎相同的承载能力(强度),接头设计就是对胶接接头的尺寸大小、几何形状的考虑。
(1)接头及接头受力情况 为了设计出合理的胶接接头形式,就要了解胶接接头的受力情况。接头在使用时的受力情况非常复杂:受机械力、热和环境因素等综合力的作用,其中最主要的是机械力。所受机械力可归纳为四种基本主要类型:剪切力、拉伸力、剥离力、不均匀扯离(劈裂)力。参见示意图1-3。
图1-3 粘接接头所受机械力的基本类型示意
剪切力:剪切力与胶层基本平行,其实质为方向相反的拉伸力或压缩力;这时的应力作用在粘接面上,而且分布比较均匀,因此可获得最大的粘接强度。
拉伸力:拉伸力也称为均匀扯离力,它受力的方向与胶层垂直,均匀分布在整个粘接面上,因此粘接面积全部承受应力,亦可获得最大的粘接强度。
剥离力:剥离力与胶层成一定角度,应力作用在一条直线上,容易产生应力集中现象,粘接强度比较低。
不均匀扯离力:不均匀扯离力是作用在胶层的两个或一个边缘上,不是整个粘接面积,或者说是局部长度上受力,而且不均匀,因此使粘接强度大为减小。
上述只是粘接接头所承受的机械力,其他作用力在此不讨论。
(2)接头形式的选择原则 粘接接头的选择确定是相当重要的工作,但又极其复杂,既要考虑粘接连接的方式,也要考虑被粘接材料的特性,而且目前尚无成熟的理论依据,只能根据粘接接头所受力的类型和特点,在设计确定粘接接头时考虑以下几点原则。
①让胶层承受剪切力和拉伸力:因为胶层承受剪切力和拉伸力的能力最大,所以尽量将粘接接头的承受力引导到这些有利的类型和方向上,也就是在设计接头结构时尽量使胶层承受剪切力和拉伸力。粘接接头承受剪切力时,使用性能最好。
②避免剥离、避免不均匀扯离:剥离和不均匀扯离力,因为其应力比较集中(都为线受力),使粘接接头在受到剥离力和不均匀扯离力的作用时承受能力最低,所以在设计确定粘接接头的结构时,应尽量避免剥离、避免不均匀扯离。若无法实现,则必须采用必要的加固措施予以改善和弥补。
③合理增大粘接面积:合理增大粘接面积(在可能和允许的条件下)对于结构粘接的可靠性是一种有效的途径,它能提高胶层承受荷载的能力。如修补裂纹时开“V”型槽、加固时的补块等,都是增大粘接面积的措施。
④避免应力集中:在胶黏剂与被粘物界面上存在着由于材料不同而引起的应力集中,在粘接时要尽量避免。在胶黏剂的选择时注意选择与被粘物有相同的刚度,就可以使应力分散,而没有应力集中。
⑤要防止层间剥离:有些材料(如酚醛胶布板、层压塑料板、玻璃钢板、纤维板、石棉板、复合膜等)层间强度很低,如果采用搭接或平接容易出现层间剥离,使粘接强度降低;采用斜接的形式,可以避免层间剥离。
⑥不同材料的合理配置:如粘接膨胀系数相差很大的材料,因温度变化时会在界面上产生热应力,如果是圆管的套接配置不当,就可能自行裂开,解决的办法:一般是将热膨胀系数小的圆管套在热膨胀系数大的圆管外面。
⑦施行方便粘接的工艺:设计粘接接头的应为粘接工艺的施行提供方便。如涂胶、加压固化、检查等操作都容易进行。
⑧保持胶层均匀连续:如果胶层出现缺胶、厚度不匀、有气孔等,就会造成应力集中、降低粘接强度。所以必须保证所设计的接头涂胶厚度适当、连续、均匀,不包裹空气,易排除挥发物。
⑨美观价廉、加工容易:设计粘接接头的结构主要是满足强度和其他性能的要求,但也要考虑加工制造是否容易,如设计的接头形式、性能都好,但如果制造困难、费用高,也不能被采用。设计接头时还要适当地照顾一下美观性。
⑩容易装配与维修:如果粘接接头和其他零部件发生联系,要避免给装配带来困难,还应为以后的维修着想。
(3)粘接接头的类型 粘接接头的形式很重要,因为有机胶黏剂的最佳使用效果是用于承受单纯的或扭转的剪切力。实际上应用的接头形式可以是形式各异的,掌握了基本类型粘接接头的性能和特点,就能根据具体情况设计出单独的或相互的、比较满意的接头结构。
①对接:将两个被粘接面涂胶后对在一起成为一体。对于破损件的修复很有用,因为它基本能保持原来的形状。但是因为对接承受的是不均匀扯离力的作用,容易产生弯曲和应力集中,难以承受轴向拉力;还因为粘接面积小,承载能力低,所以一般不单独使用对接。如果一定要用对接,要采用穿销、补块等加固措施。
②斜接:将两个被粘物端部制成一定角度的斜面,涂胶之后再对接,实际上就是小于90°的对接。一般斜接长度大于被粘物厚度的5倍,斜接角小于45°。应该说斜接承受的是剪切力,部分比较均匀,粘接面积增大,承载能力提高等,是一种较好的接头形式,但是在实际上应用不广泛,因为斜面制备困难,实施中配合不好胶层厚度难以保证,不易收到预想的效果。
③搭接:平板被粘物涂胶后叠合在另一平板被粘物的端头一定长度上。由于是平面粘接,分布比较均匀,承受的主要是剪切力。单搭接接头是最常用的接头形式,它粘接面积大,承载能力高,并且随搭接宽度增大而成正比例的增加。搭接长度增加也能使粘接面积增大,但承载能力与搭接长度没有正比关系。根据理论计算和试验测试得知:在一定搭接长度内,搭接接头的承载力随搭接长度增加而增加,当长度达到某一定值后再增加,承载力也不提高了,因此搭接长度也不是越长越好,但宽度往往受被粘物尺寸的影响,也不能任意增加。
一般来说,接头长度短、被粘物厚、被粘物刚性小、胶黏剂韧性好、胶层厚、应力集中就小。实际上这些条件很难完全满足,所以粘接接头都存在着应力集中的问题。如果将被粘物端头削斜、倒角、挖槽、减薄等均可以减小应力的集中,提高粘接强度,使粘接接头更具有普遍性合可靠性。如果搭接接头长期处于剪切应力状态,可能产生蠕变。
④套接:将被粘物的一端插入另一被粘物的孔内。主要特点是:受力情况好,粘接面积大,承载能力高,适用于圆管或圆棒与圆管的粘接。套接再插管时不易定正中心位置,胶层厚度就不宜控制,要借用专门的工具进行定位等及采用一些其他相应措施保证套接质量
插入深度与搭接长度一样不是越长越好,一般不超过管子外径的1.5~2.0倍,也可用下述经验公式(1-1)计算:
L =0.8 D +6 (1-1)
式中 L ——插入管深度,mm;
D ——插入管外径,mm。
插管(棒)与圆管内径间隙不要超过0.3mm,否则胶层太厚而降低粘接强度。
⑤嵌接:将一被粘物镶入另一被粘物空隙之中,故嵌接亦称镶接。因为一般要开槽,也称为槽接。这种类型的接头受力情况非常好,粘接面积也大,能够获得很高的粘接强度。是一种比较理想的接头方式。
⑥角接:使被粘物(板材)成一定角度的粘接,一般为直角,加工方便,但简单的角接受力情况并不好,粘接强度很低,实际中不采用,必须经过适当的组合补强才能使用。
⑦T接:也是板材接头的一种形式,它的得名是因为粘接时成T形,它是角接的一种特殊形式。单纯的T接接头受补均匀扯离和弯曲力的作用,粘接强度不好,不宜采用。可采用一些补救措施进行加固。
(4)常用接头的分析与评价 由基本接头类型进行多种组合,可得到名目繁多的接头形式,也可以根据实际需要任意进行组合。现介绍一些常用的接头形式,选用时可供参考。
①平板粘接的接头:对于平板粘接的接头可采用对接、斜接、搭接、嵌接、角接、T接等多种形式,如图1-4所示。
图1-4 平板粘接的接头形式示意
②圆棒粘接的接头:可采用对接、斜接、嵌接、套接等形式。见图1-5示意。
图1-5 圆棒粘接的接头形式示意
③圆管粘接的接头:可用对接、斜接、套接等形式。见图1-6示意。
图1-6 圆管粘接的接头形式示意
④圆棒与平板的粘接接头:可采用对接、嵌接接头。见图1-7。
图1-7 圆棒与平板的粘接接头形式示意
⑤圆管与平板的粘接接头:可采用嵌接接头。见图1-8。
图1-8 圆管与平板的粘接接头形式示意
⑥圆棒与圆管的粘接接头:可采用套接接头。如图1-9所示。
图1-9 圆棒与圆管粘接的接头形式示意
⑦粘接与机械连接的混合接头:粘接与卷边、加铆、电焊等传统的机械连接方式组成混合接头,具有加固增强作用。如图1-10所示。
图1-10 粘接与机械连接混合接头形式示意
在选择适当的胶黏剂,设计制备出合适的粘接接头之后,还要采用合理的粘接工艺,才能达到较理想的粘接效果。在实际粘接中,往往由于工艺方法的细微差别,对使用相同胶、相同的接头形式,只是由于不同人的操作,最终粘接强度相差很大。所以可以肯定地说,粘接工艺合理与否是粘接工作成败的关键之一,它与选择胶黏剂、设计接头等同样重要。
胶黏剂工艺包括胶接件的表面处理,胶黏剂的配制、涂胶、晾置、叠合、固化、检验等步骤。
(1)表面处理 指使用机械、物理、化学等方法,清洁、粗糙、活化被粘物的表面(改变表面性质),以利于胶黏剂良好湿润、牢固粘接。被粘物在粘接前的表面处理与电镀、涂漆前的预处理基本相同,因为表面性质也是影响粘接强度和耐久性的重要因素。进行表面处理的目的就是为了获得最佳的表面状态,使之有助于形成足够的粘合力,提高粘接强度。
所有的零件,在经过冷、热加工,运输、储存后,表面都会有一层氧化物、润滑油、防锈油、脱模剂、灰尘等污染层,这些异物都妨碍胶黏剂对被粘物表面的润湿,因此,需要进行适当的处理。如果不处理或处理不好就进行粘接,会因为这些附着物结构疏松、内聚力低、与胶黏剂的结合力弱等,使粘接强度降低。如果表面处理得当,则粘接强度会显著提高、耐久性能更优良。
对于暴露在空气中的金属、玻璃、陶瓷等的表面,一般都吸附一定的水分和气体,这一层覆盖的水膜等,不仅影响胶黏剂的润湿,在加热固化过程中还产生气泡,降低粘接强度。
另外表面有适当的粗糙度比较理想,真正的光滑表面对粘接不利,粗糙的表面增大了粘接面积,增强机械嵌合作用,从而提高粘接强度。
经机械处理的表面粗糙度也不能太粗,否则,由于表面太粗糙,或表面出现十分明显的凹凸不平现象,反而会导致胶接强度降低,如图1-11所示。因为胶接面太粗,胶黏剂不能很好地润湿胶接件胶接表面,在低凹处会残留空气或积存水分,使胶层出现气泡;在凸起处会由于贫胶而出现胶层不连续点,这两者都导致胶接强度降低。
图1-11 表面粗糙度与剪切强度的关系
现在出现的可进行油面粘接的丙烯酸酯结构胶、吸油性环氧胶、厌氧胶等,可在不经表面处理的表面粘接,能获得较高的粘接强度;如果进行表面处理,不仅可以提高粘接强度,而且能够提高耐久性和使用寿命等。尤其一般胶黏剂,必须认真进行表面处理,若急于求成,必使预想落空。
(2)胶黏剂的准备 胶黏剂的准备工作包括温度平衡、组分调整与预混、混合调配、自行配制等。
1)温度平衡 有些胶种为了延长贮存期而存放于低温下,如快固丙烯酸酯结构胶、光敏胶、502胶等;或是冬春季节库存温度比较低,涂胶前需要在操作现场放置12h以上,以使温度平衡利于涂胶时润湿性良好。
2)组分调整与预混 一般所选用的胶黏剂是可以直接使用的,但是有一些胶黏剂填料多、存放时间长、相容性差,会出现沉降、分层等现象,在使用前必须充分搅拌、混合均匀方可使用;有的也可根据实际情况进行组分调整,如溶剂型胶黏剂因溶剂挥发黏度变大,需适当进行稀释。
3)混合调配 对于多组分胶黏剂,在使用前配胶时,必须按规定的比例将其混合搅拌均匀,根据胶黏剂的适用期、季节、环境温度以及实际用量大小,计算出每次配胶量多少,应当随用随配,尤其是室温快固化型胶黏剂,一次配胶不能过多,否则放热量大、产生凝胶、造成浪费。
各组分充分搅拌均匀。如应用较多的双组分环氧树脂胶黏剂,若固化剂分散不均匀(搅拌不均匀),会严重损害粘接性能,没有固化剂或固化剂不足的部位就发黏、起泡,固化剂多的部位就脆,没有韧性等。在配胶时不用的组分不得互相混入,以防变质失效。
4)自行配制胶黏剂 自行配制胶黏剂必须考虑各组分的相容性、配伍性、黏合性、工艺性等。如果相容性不好,会导致分层、沉淀、离析、絮凝等现象,以至不能使用。工艺性能随着季节变化,胶黏剂的黏度、流动性、适用期、固化时间等都有很大差异,因此黏料品种、固化剂用量等,都要做相应的调整。
自行配制胶黏剂,所用原材料必须符合规定要求,对于填料的粒度和水分要严格控制,粒度大小有要求外,还有粒度分布宽点为好,不同大小的粒度同时存在,容易堆砌紧密,有利于提高粘接性能;填料在配制前要干燥,含水量要符合要求。各组分应按配方要求准确称量。加料顺序一般为:黏料→增韧剂→稀释剂→偶联剂→填料→固化剂→促进剂。
(3)涂胶与晾置
1)涂胶 涂胶是以适当的方法,用机械或工具将胶黏剂涂敷在被粘物表面。涂胶操作正确与否,对粘接质量有很大影响。黏度大小对涂敷难易有很大影响。如果黏度太稠(无溶剂型),可将被粘物表面预热至40℃~50℃,使涂敷后的胶黏剂黏度降低,宜于湿润被粘物表面,提高粘接强度。溶剂型可稀释后再涂敷。
被粘物表面易吸附空气和水分,涂敷时应顺一个方向涂胶,速度不要太快,以利于空气排除、防止包裹空气、形成气泡。一般两个被粘物表面都要涂胶。
涂胶遍数视胶黏剂和被粘物的性质不同而异。像环氧树脂胶黏剂和致密被粘物,涂一遍胶即可。溶剂型胶黏剂和多孔被粘物,需要涂胶2~3遍;而且要在前一遍胶的溶剂挥发后才能进行下一遍涂胶,不能操之过急。
涂胶量也和胶黏剂与被粘物的性质种类有关。多孔被粘物涂胶要多些。涂胶量的多少又和胶层的厚薄有关,一般胶层薄、缺陷少、变形小、收缩小、内应力小,粘接强度高,因此胶层宜薄勿厚,胶层厚无益而有害。因此在保证不缺胶的前提下,胶层尽量薄些为好。
涂胶的方法因胶黏剂的形态不同而不同。对液态、糊状、膏状的胶黏剂,可以采用刷涂、喷涂、浸涂、注入、漏涂、滚涂、刮涂等。对于胶膜可在溶剂还未完全挥发之前贴上辊压或按压。特种胶种按说明涂胶。
不论采用什么方法涂胶,都要认真仔细地进行,要求涂胶均匀,避免空气混入,使所涂胶层无气泡、不堆积、无漏涂、不缺胶,粘接后的胶层有适当厚度。
2)晾置 对无溶剂型胶种,一般没有晾置的问题,涂胶后可立即粘合,如果晾置也只能3min~5min,时间长了粘接强度反而降低。以胺类为固化剂的环氧树脂胶黏剂最明显,如二乙烯三胺(别名:二亚乙基三胺)长时间暴露在空气中,胺与空气中的H 2 O、CO 2 反应,生成双碳酸酯结晶,这些盐晶体聚集起来,使分散均匀性变差了,界面结构的不均匀扩大,最终结果为粘接强度大幅度下降。
对溶剂型胶黏剂,在被粘物表面涂胶后至粘接前要在空气中暴露的过程称为晾置。晾置的目的是让溶剂挥发,黏度增大、促进固化。各种胶黏剂晾置与否、晾置时间长短、晾置条件(如温度),因溶剂种类和含量不同而各异,有的只放在室温下晾置即可,有的在室温下晾置一定时间后再加热干燥。对于后一种情况,涂胶后不能立即进行高温干燥,因为那样表面容易形成硬皮而阻止内部溶剂继续挥发,影响粘接强度。晾置时间短的可为几分钟,长的可达几十分钟,这取决于所用溶剂的挥发速度。注意:晾置时间不能过长也不能太短,时间过长失去黏性影响粘接强度;时间太短溶剂没有挥发干净,如含丙酮、乙醇、醋酸乙酯、三氯甲烷、甲苯、苯等的胶黏剂,涂胶后一定不能立即粘合,否则胶层中易产生气泡,使粘接强度下降。
晾置环境应通风良好、空气干燥、干净整洁,其中以空气干燥为最重要,不然因溶剂挥发而使表面温度降低,湿度大使水汽凝聚于表面而影响粘接性能,降低粘接强度。如对水敏感的聚氨酯胶黏剂胶层会出现气泡。
(4)粘合 粘合是将涂胶后或经晾置的被粘物表面合拢在一起的操作过程。
对于环氧树脂无溶剂胶黏剂粘接的被粘物,粘合后最好错动几次,以利于排除空气、紧密接触、对准位置。对溶剂型胶黏剂粘合时,一定要看准时机,过早过晚都不好。对一些初粘力大或固化速度快的胶黏剂,粘合后要适当按压、锤压或辊压,以赶除空气,密实胶层。
粘合后挤出微小胶圈为好,说明不缺胶。如果发现有缝或缺胶应立即补胶填满。
(5)清理与防粘连 在粘接过程中,有时因涂胶过多或其他方面原因,难免在非粘接部位弄上胶液,这些胶液固化后影响外观、影响尺寸、修复困难等,所以要在胶液没固化前清理干净防止粘连。清理时可刮除,还可用溶剂擦除,如环氧树脂胶黏剂可以用棉纱浸点丙酮、无水乙醇、醋酸乙酯等。在清理过程中如果发现气泡、缺胶、配合不当等现象,应及时在固化前消除隐患。
粘连是工作中一种不希望出现的粘接现象,而且在粘接过程中屡见不鲜。为防止粘连现象,对于可能产生粘连现象的部位,可使用脱膜剂。脱膜剂是一种惰性材料,热稳定性好、无腐蚀、无毒等,配制简便、防粘效果好。
(6)固化 固化又称硬化,是胶黏剂通过化学反应(交联、缩聚、加聚、接枝等)或物理作用而变成固体、并有一定强度的过程。固化是获得良好粘接性能的关键步骤之一,只有固化完全,强度才会最好。
固化一般分为初固化、基本固化、后固化。
在室温放置一段时间可达到一定强度,表面硬化,不粘手,称为初固化。随时间的延长固化过程继续进行,胶层达到可使用的性能或达到产品指标的最低值可视为基本固化,这时一般粘接件可以进行下一步工序。当固化反应进行到胶的组成中可反应基团几乎耗尽,并且在性能上达到了最高强度时,视为完全固化。
1)固化方式 固化过程可以采用室温固化、加热固化、辐射固化、微波固化、高频固化等。常用的固化方式简介如下。
①室温固化:又称自然固化,在常温条件下让粘接件自行进行固化,时间虽长但不需要其他附加条件,无需能源。另外大型机件的修复,建筑现场施工粘接也只能室温固化。
②加热固化:分为中温固化和高温固化。中温固化是指120℃左右的固化温度;高温固化的温度是在150℃以上。加热固化速度快、时间短、强度高、耐老化等;但比较麻烦需要一定的加热设备,如电烘箱、热压罐、硫化机、干燥炉、红外灯或电吹风等。
③辐射固化:是20世纪70年代兴起的一种新技术,是经过紫外线(UV)、电子束(EB)、 γ 射线的辐照,使液体相体系瞬间完成聚合、交联、固化的过程。具有极快速、高质量、低能耗、高效率、适合生产线产品等独特优点。
2)固化条件 要获得较好的固化体系,不仅需要固化剂选用合适,而且还必须配合适当的固化条件。固化条件包括温度、时间、压力,也称为固化过程的三要素。
①固化温度:是粘接后胶黏剂固化所需要的温度。因为胶种不同固化温度也各异,有的胶黏剂能在室温固化;有的需要高温固化;有特殊胶种可在低温固化。温度决定着固化完成的程度,也决定着固化过程进行的快慢,还能影响固化物的最终性能,温度是固化的主要因素。每种胶黏剂都有特定的固化温度,低于此温度固化速度变慢,适当提高温度会加速固化过程,并能提高粘接强度。
加热固化升温速率不能太快要缓慢,加热要均匀,采用阶梯升温分段固化,使升温的变化与固化反应相适应。加温固化不要在涂胶粘接后马上进行,须在初固化之后升温。如果升温过早过急、温度过高,会因胶黏剂黏度变稀而溢胶过多,造成胶层太薄甚至缺胶或被粘部位错位,达不到升温固化的效果。
对高温固化的试样,固化后一定要随炉冷却至室温后方可卸压。否则,由于激剧冷却,金属与胶黏剂的线膨胀系数不一样,造成大的内应力隐患,甚至使胶接面脱开。
加热固化的方法很多,可根据实际情况选择决定,最常用的:电热鼓风干燥箱加热固化法、红外线加热固化法、蒸汽干燥室加热固化法、间接加热固化法、高频电加热固化法、电吹风加热固化法、电子束加热固化法等。
②固化压力:胶黏剂在固化过程中一般需要有一定的压力,它能提高其湿润性、渗透性、扩散性,可排除气体,使胶层与被粘物接触紧密,防止空洞和分离,胶层厚度更均匀。压力大小取决于胶黏剂的种类和性质:相对分子质量低、流动性好、固化时不产生低分子物的胶黏剂,如环氧树脂胶黏剂、不饱和聚酯树脂胶、聚氨酯胶等,只要接触压力(被粘物自身质量产生的压力)就可以了。溶剂型胶黏剂或固化过程放出低分子物的胶黏剂,如环氧-丁腈胶、环氧-尼龙胶、环氧-聚砜胶、聚酰亚胺胶等,需要施加0.1MPa~0.5MPa的压力。一些膜状、粉状、带状、颗粒状的热熔胶等,为使湿润良好,在固化过程中一般施加0.3MPa~0.5MPa的压力。
固化压力要适中,压力太大,胶层太薄,则粘接强度降低;太小无作用。还应注意加压时机要合适,施加压力要均匀等。固化加压的主要方法有:接触压力法、夹具加压法、配重加压法、弹簧加压法、秤杆加压法、压机加压法、锤压法、辊压法、气带加压法、热压罐加压法、真空加压法等。
试验室进行拉伸剪切强度试验时,通常采用杠杆式加压夹具加压,如它形成的是单个试样,而不是形成板状试样,那么其加压重锤的质量 P 则按式(1-2)计算:
P =10.2 AFl / L (1-2)
式中 F ——胶接面积,cm 2 ;
P ——重锤质量,kg;
A ——试样所要求的固化压力,MPa;
l ——支柱固定点到钢球支点的距离,cm;
L ——支柱固定点到重锤中心点的距离,cm。
设胶接试样要求的固化压力为0.5MPa;若l=8cm,L=24cm,试样的胶接面积为12.5mm×20mm=250mm 2 =2.5cm 2 ,则应加重锤质量为:
③固化时间:指在一定温度、压力的条件下胶黏剂固化所需的时间。胶黏剂品种不同,固化时间有很大差别:有的室温下可瞬间固化;有的需要几个小时,如室温快固环氧胶;有的长达几天,如室温固化的碳纤维环氧胶。固化时间的长短与固化温度、压力有密切关系,升高温度可以缩短固化时间。
(7)粘接检验与修整 粘接之后要对质量进行认真检验和修整。
1)粘接检验 目前粘接检验的方法主要有目测法、溶剂法、试压法、测量法、敲击法、超声波法、X射线法、声阻法、液晶法、激光法等,但目前还没有较为理想的非破坏性的检测方法。几种常用方法简介如下。
①目测法:用眼睛或放大镜观察胶层有无翘曲、剥离、突起、裂缝、孔洞、缺胶、炭化、错位、接缝不良等。若挤出的胶是均匀的,说明粘接良好不缺胶。
②敲击法:用圆木棒或小锤敲击粘接部位,声音清脆说明粘接良好;声音沉闷表明里面可能有大气孔或离层、脱粘等缺陷。
③溶剂法:用溶剂法可检查胶层是否固化完全。取脱脂棉浸丙酮敷在暴露的胶层表面,1min~2min取下看胶层是否粘手或软化。如果不粘手、不软化、不溶解、不膨胀,说明胶黏剂完全固化,否则固化不完全。
④试压法:对于密封件的粘接,固化可用试压法检验。如水套、油管、机体等,用水压或油压法检测是否有漏水、漏油现象,一般注入一定压力的水或油,保持3min~5min,没有渗漏和明显压力下降说明粘接良好。
⑤测量法:要求恢复尺寸的粘接,用量具测量是否符合要求即可。
2)修整 经初步检验合格的粘接件,要进行适当的修整、加工等,以使装配容易、外观漂亮,除去多余的胶,将被粘处修整光滑尽量恢复原样备用。一些物件也可进行锉、车、刨等机械加工,但应注意加工过程中避免胶层受冲击力。
粘接之后有时因质量问题或位置变动应当拆开重粘;或经过使用一段时间需要进行维修,也需要将粘接件拆开重粘。了解如何拆胶是有用的,拆胶的方法有温度法、溶解法、力矩法、冲击法等,比较实用的是温度法和溶解法。
以环氧树脂胶黏剂为例:
温度法:在150℃~220℃下加热几个小时即可拆胶。
溶解法:二氯甲烷 苯酚 甲酸 混合甲苯酚
80mL 5g 15mL 15mL
将上述试剂配成溶液,密封保存。拆胶时室温浸泡几个小时至数天,视情况拆胶。
粘接技术虽然有着独特的性能,但是有时还满足不了强度要求,因为粘接金属时的粘接强度远达不到基体的强度。粘接强度目前只有电焊接强度的30%~50%,为了更加坚固耐久,就需要采取加固性补强措施。
粘接补强的措施是增加粘接面积,使受力情况分散、改善,补强的部分承担部分负荷,减少薄弱环节,还可防止腐蚀渗漏,这样能极大地提高粘接强度和耐久性等。
粘接补强的措施有机械补强、粘贴纤维织物(缠绕纤维)增强、防止剥离、消除内应力、改善接头的几何形状、加热固化等,在实际应用中要视具体情况和要求,选定一种还是几种补强方法联合使用。