胶粘应用

时间：2015-10-10 13:50:50 来源：作者：

胶接头的设计形式

1、胶接头设计的原则：
a、避免过多的应力集中，减少剥离力、弯曲力的产生；
b、合理增大胶接面积，以提高胶接头承载能力；
c、对层压制品的胶接要防止层间剥离。
2、胶接头的基本形式：角接接头、T形接头、对接接头和搭接接头
3、平板对接接头两个薄平板对接往往转化为搭接形式。
如果增加搭接面积(主要时搭接长度)，可以提高接头承载能力。进行搭接时要减少应力集中和接头的弯曲应力。
4、管材对接头简单套接无法保证接头有均匀胶层，难以控制胶层厚度和两材同心，其套接抗剪强度较低，最好采用切口斜接。
5、角接和T形胶接头：采用90度接头。
6、平面胶接头柔性材料和刚性材料胶接，易在胶接边缘发生剥离，须用包头，端部加宽加厚加铆等措施。

表面处理

被粘材料的表面处理与胶接

(一)表面特性的影响

1、清洁度：

金属表面吸附着一层内聚强度低的表面能低的污染层和氧化膜，这将降低胶接强度。一般地，金属表面干净时，接触很小甚至为零。材料处理后接触随时间而变化，在空气中易受环境气氛的污染，接触角升高，约5H后接触角趋于稳定。

表面处理前后的接触角和胶接强度

2、粗糙度

被粘材料表面用纱布打磨或喷砂处理，适当地将表面粗化均能提高胶接强度。糙化过程去除原先存在的表面层。形成新的表面层(净化)，而且喷砂表面比抛光表面有更大的实际胶接面积，表面太粗糙反而会降低胶接强度，因为过于粗糙的表面不能将胶粘剂良好侵润，凹处易残面空气对胶接不利。

3、表面化学结构

表面的化学组成与结构对被粘材料的胶接性能、耐久性能、热老化性能等都有重要影响，而表面结构对胶接性能的影响往往是通过改变表面层的内聚强度、厚度、孔隙度、活性和表面能来实现。

用铬酸酸蚀铝表面后，将铝试样侵泡在60oC蒸馏水中清洗，很容易在表面生成以AL2O3.3H2O为主的氧化铝水合物，其内聚强度较低，厚度>103A，使接头出现破坏，强度大大降低，并且能在铝试片表面观察到单晶或粉末状图谱以及虹色干涉现象。在热自来水中清洗时，填充效率很低，水合物生成较少，其表面看不到虹色或单晶图谱，胶接强度较高。因此，要得到高剥离强度，铝表面氧化物应该是无水的。

(二)表面处理方法

1、溶剂碱液和超声波脱脂法：
溶剂脱脂法：常用擦洗法即用无油棉花(脱脂棉)沾溶剂如丙酮、汽油、甲苯等直接擦洗被粘材料表面。
碱液脱脂法：采用热碱液中处理油污表面，如30-55%磷酸钠(Na4P2O7)、10-50% NaOH 、10-6%Na2CO3或30-85%的碱性硅酸盐。 NaOH虽是强碱，由于其润湿性能并不太好，又不易漂洗干净，其效果不如碱性硅酸盐；碱性硅酸盐由 SiO2 和Na2O 混合。比例为1：2时清洁效果最好；比例为1：1时，适用于铝材的清洁。
超声波脱脂法：一般部件放在功率为20瓦/cm2的超声波中处理20-60秒即可得到足够清洁表面。

2、机械加工：打磨和喷砂
砂纸打磨操作简便，但均匀性较差，难以得到相同的重复效果。
喷砂法能迅速简便的清除表面的污物，并产生不同粗糙度的表面。

3、化学腐蚀法：
被粘材料经上述处理后须放在酸液或碱液中进行化学腐蚀处理。这可进一步除去表面上的残留污物，并使表面生成具有良好内聚强度的活化或钝化氧化层，(严格控制水的纯度)。

4、涂底胶法：
在处理好的表面上，先涂一层很薄的底胶，以改进胶接性能。

5、等离子体法
用等离子体法处理PE、聚丙烯、聚四氟乙烯等难粘材料的胶接强度大大提高，这是因为表面处理后接触角降低，极限表面张力增加，因而改进胶粘剂对其侵润和粘附力。

(三) 各种材料的表面处理与胶接

1金属材料

1.1、铝合金：
按脱脂--碱液处理--铬酸酸蚀处理法。溶剂脱脂法只能除去铝表面的污物使表层的自然氧化变得干净；碱液法除去油污，又将表层自然氧化膜溶解在碱液中，并形成新的氧化膜；酸蚀法处理能溶解表层的自然氧化膜，并再生成一层致密而坚硬的氧化膜，膜厚为1-3um,内聚强度高，吸附力强，因而胶接性能良好，酸蚀处理后的表面常是在自来水中漂洗干净，并出现一层均匀水膜。待擦净并在70°C以下烘干。
2Al(OH)3+3H2SO4 → Al2(SO) 4+6H2O
Na2CrO7+ H2SO4 → Na2SO4+2CrO3+ H2O
2Al+2CrO3 → Al2O3+ Cr2O3
美国标准处理H2SO4 --重铬酸钠溶液配方：
Na2CrO7 1 (2.4%) (66-71°C)/10-12分浓H2SO4 10 (22.4%) (66-71°C)/10-12分蒸馏水 30 (73.2%)(66-71°C)/10-12分
英国标准处理配方： Cr2O3 5% 或 0 (60-65°C)/30分 Na2CrO7 0 或 7.5% (60-65°C)/30分浓H2SO4 127.3% 或 27.3% 60-65°C)/30分蒸馏水 67.7% 或 65.5% (60-65°C)/30分

1.2、碳钢：在潮湿的空气易氧化生成Fe2O3.n H2O.
(1)、溶剂脱脂--在浓HCL1份和H2O1份溶液中室温浸泡5-10min--聚合漂洗干净、擦干--烘干(93°C，10min)
(2)、溶液脱脂--在Na2CrO7(4份)、浓H2SO4 (10份)和30份蒸馏水溶液71-77°C下浸泡10min--其余同(1)。
(3)、溶液脱脂--在硫酸酸钠(30份)、洗衣粉(3份)和水(96.7份)中于60-65°C下浸泡5-10min--漂洗干净并在100-105°C烘干。

1.3、
(1)、脱脂后在100份浓H2SO4 和3份Na2CrO7溶液中于60-65°C下浸泡15min，洗净烘干。
(2)、脱脂后在100份浓HCL、4份H2O2(30%)、20份甲醛(40%)和90份H2O 中于65°C浸泡10分钟。洗净后放在浓H2SO4 (100份)、Na2CrO7 (10份)和H2O(30份)于65°C下浸泡10min，洗净烘干。
(3) 脱脂后在浓HCL(2份)，六次甲基四胺(5份)，H2O2(1份)和H2O(20份)中于65-70°C浸泡10min，洗净烘干。

1.4、钛合金：
(1) 脱脂后在2.7g H2O2(50%)、9.6NaOH和1000mlH2O中室温处理1-2H，洗净烘干。
(2) 脱脂后在841ml浓HCL、63ml浓HF酸和89mlH3PO4中室温浸泡2min，洗净烘干(82-93°C下10-15min)。选用胶粘剂有环氧、酚醛、聚酰亚胺、聚苯并咪唑等高温胶。

1.5、镁合金：
镁合金是很轻的金属，其表面活性大易生成氧化膜。镁较耐碱，但易与甲酯反应，因此脱脂溶剂只能用丙酮、三氯乙烯等。
(1)、脱脂后在NaOH(80%)中于60-80°C下浸泡5-10min，洗净放在1.8份Ca(NO3) 2、24份铬酸、123份H2O中于室温浸泡5-10min，洗净烘干。
(2)、脱脂后在Cr2O3(17份)、NaNO3(20份)、105份醋酸和100份H2O中于室温浸泡3min，洗净烘干。选用EPOXY--聚酰胺或EPOXY--型胶粘剂。

1.6、铜：铜在潮湿环境中易被腐蚀，尤其用乙二胺或DTA固化的环氧胶对铜的腐蚀作用更大。
(1)脱脂后在混合溶液中室温浸泡3min，洗净干燥，立即使用(混合溶液为浓HCL：FeCL3： H2O=50：20：30)
(2)脱脂后在溶液HNO3中浸泡约15min，并擦洗至所有腐蚀处消失至净，烘干立即使用。选用EPOXY、聚酰胺、有机硅、酚醛、氯丁胶和丁腈胶等。

1.7、锌
(1)脱脂后在HCL (6%)中于室温浸泡4min，洗净干燥立即使用。
(2)脱脂后在混合溶液中38°C浸泡5min，洗净烘干。(混合溶液为Na2CrO7：浓H2SO4 ：H2O=1：2：8)，甲环氧、聚胺酯、有机硅、酚醛等胶接。

2、高分子材料

2.1 高分子材料难粘的原因：
A、表面性能很低，难以完全浸润如硅橡胶。PTFE等。
B、表面为非极性的，与胶粘剂之间作用力低。
C、表面易吸脂和其他低分子物质，去除困难。
D、热膨胀系数较高，易产生热应力。
E、材料模量低，在界面易发生应力集中。(选用溶解度参数与被粘材料接近的胶粘剂；表面处理，以便提高胶接强度)

2.2 含氟高聚物(聚四氟乙烯PTFE)
A、钠--萘--THF溶液腐蚀法。Rc=18.5dyn/cm将含氟材料表面用细砂纸打磨，丙酮洗涤，晾干于室温的处理液中浸泡1-15min，此时表面产生一层均匀棕色碳化薄膜(厚度约1um)。取出用丙酮或乙酸洗涤再用水洗净，晾干立即胶接或干燥后存放2-3月内均有良好胶接性能。
处理液配制：在三口瓶中放入升华精萘118-128g，加入去除过氧化物的四氢呋喃100ml。搅拌溶解后慢慢加入23-30g钠片，反应1-2H,溶液呈现绿色(在干燥的氮气中进行，严防O2和潮气影响)。处理液须在惰性气体和醋酸密封的干燥容器中可保存三个月之久，严防水汽和空气浸入。
经处理的PTFE用EPOXY--聚酰胺胶胶接，其室温为11mpa以上(PTFE/AL)。
B、熔融的醋酸钾法：
在熔融的k+CH3COO-中于320-330°C处理6min，水洗干燥即可。
用有机硅胶、环氧胶、聚氨酯、酚醛--丁腈胶等粘接

2.3、聚烷烯烃(聚乙烯和聚丙烯)
A、锘酸氧化液配方：
Na2CrO7 5 浓H2SO4 8 H2O 100 PE极限表面张力为Rc=31dyn/cm。
PE和PP在66-71°C中浸泡1- 5min或80-85°C处理5-10秒或室温处理1-1.5小时。用环氧胶胶接时全部是被材料本身内聚破坏。PS可在Na2CrO7 (10份)和浓H2SO4 (90份)的氧化液中处理3-4min。
B 、等离子体法：处理时间约5秒，胶接强度可提高十倍至数十倍，PP经过处理后，Τ由0.7上升16.8mpa.。
胶接PE：环氧、醋酸乙烯酯--乙烯共聚物、聚氨酯、有机硅等。
胶接PP：环氧--聚酰胺、丁腈胶、聚氨酯等胶。
胶接PS：氯丁胶、氰基丙烯酸醋、聚氨酯、环氧胶等。

表面处理法对PE胶接强度的影响

2.4、聚酯和聚碳酸酯
聚酯Rc=43dyn/cm，聚酯表面结晶度高，必须降低结晶度和增加极性，可浸泡在20%的NaOH溶液于70-95°C处理10min. 聚酯薄膜(洗涤膜)用有机硅、聚氨酯、线型聚醋、聚酰胺、热熔胶等。
聚碳酸酯脱脂用砂纸打磨，用环氧、聚氨酯、不饱和聚酯等胶。

2.5、聚醚
聚甲醛和氯化物聚醚较难胶接，用丙酮脱脂后，在处理液中使表面活化。 Na2CrO7 5 浓H2SO4 8 H2O 100
聚甲醛处理条件为室温10-20秒；氯化聚醚为65-71°C下5-10分；
聚甲醛用丁腈胶、聚氨酯、环氧和酚醛--丁腈胶
氯化聚醚用丁腈胶和氯丁胶粘接。

2.6、聚酰胺
(1)细砂纸打磨在表面涂刷间甲酚树脂底胶，用环氧胶接；
(2)浸泡在80%苯酚水溶液中刷洗然后用水洗净烘干。
用丁腈胶、聚氨酯、聚酰胺、环氧、酚醛--丁腈胶接。

2.7、赛璐璐、聚甲基丙烯酸甲酯、硬质聚氯乙烯
经脱脂砂纸打磨即可
赛璐璐用丁腈胶、氯丁胶、热熔胶、聚氨酯等胶；
聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)：丁腈胶、氯丁胶、环氧等；
硬质聚氯乙烯：丁腈胶、氯丁胶、白乳胶、聚过氯乙烯、聚氨酯、环氧胶等。

2.8、聚酰亚胺：
用丙酮脱脂，在NaOH溶液5%于60-90°C下处理1分钟，胶接扯离强度提高15倍以上，采用环氧胶。

2.9、天然橡胶
脱脂后用砂纸打磨，再用乙醇或汽油擦净或在室温下浸泡浓H2SO4约15-20min，洗净烘干，用环氧、呋喃树脂、氯丁、丁腈、聚氨酯。

2.10、合成橡胶
脱脂后用砂纸打磨，放在浓H2SO4 中室温浸泡4-8min，水洗后放入20%氢氧化铵中浸泡5-10min。
对于不饱和碳链结构的橡胶，用刚性环氧胶胶接；胶接强度接近或超过橡胶本身内聚强度。如果需要柔软的接头可用环氧--聚硫，环氧--聚酰胺等胶。
丁基橡胶：聚氨酯、有机硅胶等；
丁苯橡胶：丁腈、聚氨酯、有机硅等；
丁腈橡胶：聚氨酯、有机硅、环氧、酚醛—丁腈等；
氟橡胶：环氧胶、氰基丙烯酸酯胶接；
硅橡胶：用等离子体处理表面，使胶接强度提高数倍。

3、其他材料的表面处理与胶接

3.1 玻璃：
脱脂后室温浸泡50% Na2CrO7(3.5份)和100份浓H2SO4 约15-20min。用聚氨酯、水溶性硅酸盐、酚醛—环氧、环氧、酚醛--丁腈等胶粘剂。
3.2 ：表面处理和胶接与玻璃相同。
3.3 水泥制品：脱脂后用砂纸打磨、环氧、脲醛、有机硅、水玻璃等胶。
3.4 木材：用脲醛、酚醛、三氯氰胺甲醛、环氧等胶粘剂。

胶接工艺

胶接工艺主要包括接头设计、表面处理、配胶和涂胶、固化和质量检测。

1 胶粘剂的配置和涂胶

1.1 配胶：

配胶质量直接影响胶接件的胶接性能，必须准确称取各组分的重量(误差不超过2-5%)。胶粘剂配制量多少，应根据涂敷量多少而定，且在活性期内用完。配制过程中，应由专人负责，作好详细的批号、重量、配胶温度及其他各种工艺参数记录。必须搅拌均匀。

1.2 涂敷工艺

1.2A 涂敷前工艺：稀释可以降低胶粘剂粘度，改善胶液涂敷性，但延长胶接周期，使固化时间延长，甚至导致固化不便而影响胶接质量；填加填料，可以提高胶液粘度等和胶接强度；如果配制气温降低，可以采用水浴加热或烘和预热的办法，使搅拌均匀，便可降低胶液自身粘度。

1.2B 涂敷方法：

a 刷涂法：用一般刷子涂胶于胶接表面上，其缺点是难以控制胶层厚度且涂敷不均匀现象。
b 刀刮法：将胶液倒在胶接表面上，用平刀片或玻璃棒制胶，胶层厚度凭经验来控制。其涂敷质量不够稳定，只能在平面胶接面上施工。
C 滚涂法：用胶辊使胶接件均匀地涂上胶液的方法，调节胶辊间隙或压力可以控制胶层厚度，胶辊越光滑，胶层越均匀越薄。
D 喷涂法(静电喷涂法)：在高压静电场内，使带电胶液从喷枪的放电边缘落在胶接面上。胶液粘度控制在15-40S;胶液具有介电性，体积电阻为106-107Ω.cm；此法可保证胶层厚度一致，胶液损失小。
E 熔融法：将热熔胶加热进行刷涂等。

2 胶粘剂的固化工艺

2.1 固化方法胶粘剂的固化通过物理方法，如溶剂的挥发，乳液凝聚和熔融体冷却与化学方法。

(1)热熔胶：高分子熔融体在浸润被粘表面之后通过冷却就能发生固化。
(2)溶液胶粘剂：随着溶剂的挥发、溶液浓度不断增大，渐达到固化具有一定强度。
(3)乳液胶：由于乳液中的水逐渐渗透到多孔性被粘物中并挥发掉，使乳液浓度不断增大，最后由于表面张力的作用，使高分子胶体颗粒发生凝聚。当环境温度较高时，乳液凝聚成连续的胶膜，而环境温度低与最低成膜温度(MFT)，就形成白色的不连续胶膜。乳液胶主要是聚醋酸乙烯酯及其共聚物和丙烯酸酯的共聚物。
(4)热固性胶粘剂热固性树脂的多官能团单体或预聚体进行聚合反应，随着分子量的增大同时进行着分子链的变化和交联，形成不溶不熔的凝胶化或叫基本固化。在一定范围的延长固化时间和提高固化温度并不等效，降低固化温度难以用延长时间来补偿。因为胶粘剂和被粘物表面之间需要发生一定化学作用，这就是需要足够高的温度才能进行。

2.2固化压力：

有利于胶粘剂对表面的充分浸润；有利于排除胶粘剂固化反应产生的低分子挥发物；有利于排出胶层中残留的挥发性溶剂；有利于控制胶层厚度；粘度大的胶粘剂往往胶层较厚，固化压力的调节控制胶层的厚度范围。
在涂胶后放置一段时间，这叫做预固化。待胶液粘度变大，施加压力，以保证胶层厚度的均匀性。

2.3固化温度

固化温度过低，胶层交联密度过低，固化反应不完全；
固化温度过高，易引起胶液流失或使胶层脆化，导致胶接强度下降。加热有利于胶粘剂与胶接件之间的分子扩散，能有利于形成化学键的作用。

(1) 烘箱直接加热法：用鼓风装置，使其均匀传热。
(2) 外加热法：使热量迅速传到胶层内部，大大缩短固化时间。声波加热法：对具有粘弹性的胶粘剂、无溶剂胶液受热固化，不适用于热固性刚性胶。

用胶指南

胶粘剂的分类

1、按基体材料分：

2、接应用分：结构胶、非结构胶和特种胶，其中，结构胶要求受力部件的胶接头承受应力和被粘物相当或接近。

胶粘剂的选择

1、选择胶粘剂的原则

(1)考虑胶接材料的种类性质大小和硬度；
(2)考虑胶接材料的形状结构和工艺条件；
(3)考虑胶接部位承受的负荷和形式(拉力、剪切力、剥离力等)；
(4)考虑材料的特殊要求如导电导热耐高温和耐低温。

2、胶接材料的性质

(1) 金属：金属表面的氧化膜经表面处理后，容易胶接；由于胶粘剂粘接金属的两相线膨胀系数相差太大，胶层容易产生内应力；另外金属胶接部位因水作用易产生电化学腐蚀。
(2) 橡胶：橡胶的极性越大，胶接效果越好。其中丁腈氯丁橡胶极性大，胶接强度大；天然橡胶、硅橡胶和异丁橡胶极性小，粘接力较弱。另外橡胶表面往往有脱模剂或其它游离出的助剂，妨碍胶接效果。
(3) 木材：属多孔材料，易吸潮，引起尺寸变化，可能因此产生应力集中。另外，抛光的材料比表面粗糙的木材胶接性能好。
(4)：极性大的塑料其胶接性能好。
(5)玻璃：玻璃表面从微观角度是由无数部均匀的凹凸不平的部分组成.使用湿润性好的胶粘剂,防止在凹凸处可能存在气泡影响.另外,玻璃是以si-o-为主体结构,其表面层易吸附水.因玻璃极性强,极性胶粘剂易与表面发生氢键结合,形成牢固粘接.玻璃易脆裂而且又透明,选择胶粘剂时需考虑到这些．

3、胶粘剂的特点和选择

(1)连接各种弹性模量和厚度不同的材料尤其是薄材料；
(2)胶接表面光滑，气动性良好；
(3)密封性能好，腐蚀性能好；
(4)延长胶接件的使用寿命和减轻胶接件重量；
(5)劳动强度低，成本少，生产效率高；
(6)非导电胶耐热抗震绝缘，其中：
a、改性环氧树脂柔韧性的大小顺序为：环氧-聚硫>环氧-聚酰胺>环氧-胺固化剂；
b、改性酚醛柔韧性的大小顺序为：酚醛-聚酰胺>酚醛-聚醋酸乙烯酯>酚醛-环氧；
c、主要胶粘剂的耐热性：

d、固化温度对环氧胶强度的影响

e、胶粘剂的强度特点

0 良好， # 中等， * 差

胶粘剂的组成

1 、胶粘剂：又称粘合剂、接着剂，将经过表面处理的两个或两个以上胶粘材料牢固地连接在一起，并且具有一定力学强度的化学性质。例如，环氧树脂、磷酸一氧化铜、白乳胶等。
2、固体材料(基料)：决定胶接头的主要物理化学力学性能。例如，环氧树脂和酚醛树脂等。 3、固化剂：
a) 固化：液体的胶粘剂通过物理化学方法变成固体的过程。物理方法有溶解挥发、乳液凝聚、熔融体冷却；化学方法使胶粘剂聚合成高分子物质。
b) 固化剂：固化过程所使用的化学物质。
4、固化促进剂：能促进固化反应速度，缩短反应时间的化学物质，又称催化剂。
5、增韧剂：能提高胶粘剂固化物的韧性，主要是酯类和弹性化合物。
6、填料：能提高接头的力学强度。
7、其它辅助材料：着色剂、溶剂(稀释剂)、防老剂和偶联剂等。

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