胶黏剂与粘接技术原理

1、.,材料胶接技术,绪论,应用已十分普遍，有几千年的历史（浆糊，泥墙） 在高分子学科的发展之后真正作为一门学科即是合成胶黏剂出现,高分子材料五大分支之一来阐述的。 基本概念：把两个或多个物体通过另外一种材料在其两相界面间产生的分子间力连接在一起，称为粘接，被粘接的物体称为被粘物，粘接所使用的材料称为胶黏剂，通过粘接得到的组件称为胶接接头（胶接件），减弱粘接称为脱粘。,.,胶粘剂概述,一、胶粘剂基本组成 基料、固化剂、溶剂、增塑剂、填料、偶联剂、交联剂、引发剂、促进剂、增韧剂、增黏剂、稀释剂、防老剂、阻聚剂、阻燃剂、光敏剂、消泡剂、防腐剂、稳定剂、乳化剂 二、胶粘剂的分类 三、常见胶黏剂成分,.,

2、组成,1 、基料 又称胶料,是胶粘剂主要成分. 2 、固化剂 使单体或低聚物变为线形或网状体型高聚物。 又称硬化剂、熟化剂、交联剂、硫化剂 3 、溶剂 4 、增塑剂 降低玻璃化温度和熔融温度,改善胶层脆性, 内增塑、外增塑. 5 、填料 降低成本,改善机械性能,降低膨胀系数 6 、偶联剂 同时与极性和非极性物质产生结合力的化合物. 7 、交联剂 在线形大分子间形成化学键 8 、引发剂 引起单体分子或预聚物活化而产生自由基. 9 、促进剂 降低引发剂分解温度或加快固化反应速度。 10、增黏剂 提高初粘力,透明胶水：白乳胶，滑石粉，水，乙二醇；蔗糖；尿素；香精,.,分类,1、按化学成分分类,.,分

3、类,2 、按形态分类 液态：水溶液、溶液、乳液、无溶剂型 固态型：粉状、 块状、细绳状、 胶膜 带状：黏附型;热封型 膏状与腻子 3 、按应用方法分类 室温固化型（溶剂挥发型、潮气固化型、厌氧型、加固化剂型） 压敏型（接触压胶、自粘(冷粘)型、 缓粘(热粘)型、 永粘型） 热固型 、热熔型 4 、按用途分类 结构用（实际粘接强度大于6.9MPa，通常是热固性） 非结构用、压敏胶、特种用,.,常见胶黏剂成分,胶水、固体胶聚乙烯醇类 建筑用107、108胶聚乙烯醇缩甲醛 万能胶环氧胶粘剂，主要组分是环氧树脂 AB胶（哥俩好）通常是双组分丙烯酸改性环氧胶或环氧胶 502胶，504胶（医用）瞬间胶粘剂

4、，-氰基丙烯酸酯 厌氧胶（铁锚300系列，Y150胶）甲基丙烯酸双酯 胶带丙烯酸脂共聚物、天然橡胶、二烯苯乙烯嵌段共聚物 补胎胶水、乒乓球拍天然橡胶，溶剂 粘鞋橡胶类胶黏剂、聚氨酯系列 703、704、FS203等有机硅胶粘剂, 主要组分是有机硅氧烷。 CH505酚醛-丁腈橡胶胶粘剂 铁锚801强力胶酚醛-氯丁橡胶胶粘剂，混合溶剂。 百得胶、FN303胶、XY401胶、CH406胶等。,.,为什么要使用胶黏剂？ 材料加工，主要包括变形、切分与结合。 组合连接分类一般有三种，机械紧固、焊接与粘接。,胶接优点： 1 不破坏被粘物 2 不造成应力集中 3 改善疲劳性能 4 同时起密封效果 5 连接不

5、同金属不形成电池 6 特殊场合（如粘接炸药） 7 粘接形状复杂的被粘物 8 设备简单,胶接缺点： 1需要更大的接触面积 2表面工艺条件高，甚而苛刻 3存在的不确定性，难以监测 4有些有毒 5 存储寿命有限 6不能重复利用 7学科起步晚，设计缺信心,.,第一章 粘接理论基础,粘接是一种材料界面、表面的科学 获得好的粘接效果有两个必要条件（过程）： （1）足够面积的紧密接触（清理表面、润湿、扩散） （2）分子间的吸引力甚或成粘合键（固化）,.,为满足第一个条件，胶粘剂应能扩展到固体的表面，并取代存在于表面的空气或其他附着物。 固体表面都是高低不平的，抛光后接触面积不到总面积的1/100；液体可以完

6、全浸润。胶粘剂与被粘物连续接触的过程叫润湿。 胶粘剂浸入固体表面的凹陷与空隙就形成良好润湿；如果胶粘剂在表面的凹处被架空，便减少了胶粘剂与被粘物的实际接触面积，从而降低了接头的粘接强度。 获得良好润湿的条件是： a 液体的接触角应为0，或接近于0；（浸润热力学） b 粘度要低，即不得大于几毫帕秒；（动力学） c 能驱除被粘物接头间所夹的空气和其他附着物。,1.1界面理论,.,表面张力是分子间力的直接表现，是由于物体主体对表面层吸引的结果，表面分子能量状态高，物体有减少自身表面的趋势。增加表面积即能量增加，也有了表面自由能。 存在的最普遍的分子间吸引力为Vander Waals力，它来源于几种不

7、同的作用。 静电力（取向力），永久偶极之间，13-21kJ/mol； 诱导力，偶极在其他分子上引起的诱导偶极,6-13kJ/mol；色散力(London力)，偶极矩自由运动产生,0.88kJ/mol； 另外还有氢键，不超过40 kJ/mol。 共价键100-400 kJ/mol，离子键一般大于300 kJ/mol，金属键？。,表面张力,.,表面张力,固体表面分为 高能表面，s=100达因/cm，如金属和无机物； 低能表面，s环氧-聚酰胺环氧-胺固化剂； b、 改性酚醛柔韧性：酚醛-聚酰胺酚醛-聚醋酸乙烯酯酚醛-环氧； 橡胶改性酚醛因剥离强度高，很有使用价值，但剪切强度相对低些。,.,胶黏剂的特

8、点2-耐热,耐高温胶粘剂通常具有刚性的高分子结构，很高的软化温度和稳定的化学基团。,.,胶黏剂的特点3-低温,环氧尼龙胶粘剂在-73c的低温范围强度最高，尼龙柔性； 在液氮温度(-196C)时，与聚氨酯相差很小； 在液态氢温度(-253c)下，新型聚氨酯胶粘剂强度最高。 环氧酚醛的低温强度和高温性能都相当好。 酚醛缩醛胶粘剂低温强度较高，但其强度随温度降低而减小。,.,胶黏剂的特点4-湿气和浸水,湿气通过两种方式影响粘接强度。 水解丧失强度和硬度，严重时液化，尤其是聚氨酯； 水还会渗入胶层，取代粘接界面的胶粘剂，普通存在。 水解的速率取决于胶粘剂基料的化学结构、催化剂类型、用量、以及胶粘剂的柔

9、性。 酯、氨酯、酰胺和脲，能被水解。酯键水解速率最快。在大多数情况下，以酰胺固化的环氧树脂的水解稳定性比酸酐固化的好。,.,2.3 粘接工艺,选定了合适的胶粘剂，制备了可靠的粘接接头，还需有合理的粘接工艺，才能实现最后的粘接目的。粘接工艺与粘接质量关系极大，虽然比较简单，却是粘接成败的关键。粘接工艺包括粘接件表面处理、胶粘剂的调配、涂胶、固化、清理、检查等步骤。,.,一、被粘接材料的表面处理,作用主要有三个方面： 去污及疏松质层；提高表面能；增加表面积。 具体包括： 表面清洗、机械处理、化学处理、偶联剂处理等过程 根据要求，采取全过程，也可采取其中一、两个。,.,表面清洗：除去油垢和灰尘等。金

10、属粘接件常带有油层和污垢。常用有机溶剂(汽油、丙酮等)清洗、或碱洗（金属铝镁）。 机械处理：喷砂、钢丝刷、砂纸打磨，对黏度高的胶黏剂有一定程度不适合。 化学处理：强度要求高的情况，或者难粘的材料。 1）金属表面常用化学法（酸蚀去锈、铬酸氧化等）处理；重要的铝质结构件的被粘表面，需用阳极氧化法处理； 2）氟塑料等难粘材料表面，可采用化学溶液侵蚀法、辐射接枝、等离子法处理、火焰处理等。,.,二、胶粘剂的涂布,刷涂法：方便，不精确，不能流水作业，最常用 辊涂法：生产效率高 喷涂法：均匀，薄层；黏度要低，有溶剂。 采用静电场喷涂可节省胶粘剂和改善劳动条件。 流涎； 浸胶； 刮涂； 胶膜一般用手工敷贴，

11、采用热压粘贴可以提高贴膜质量。 注意控制：涂胶量和涂覆遍数，胶层厚度，均匀，适时粘接。,.,三、胶粘剂的固化-压力,压力：使胶粘剂更容易充满被粘体表面上的坑洞，甚至流入深孔和毛细管，减少粘接缺陷。也促使被粘体表面上的气体逸出，减少粘接区的气孔。 对粘度较小的胶粘剂，加压时会过度地流淌，应待粘度较大时再施加压力。 对较稠的或固体的胶粘剂，必需施加压力。常需适当升温，以降低胶粘剂的稠度或使之液化。例如，绝缘层压板的制造、飞机旋翼的成型都是在加热加压下进行。,.,固化方法分两种： 室温固化法是将胶粘剂涂布于被粘表面，待胶粘剂润湿被粘物表面并且溶剂基本挥发后，压合两个涂胶面即可。 加热固化法是将热固性

12、树脂胶粘剂（酚醛树脂、环氧树脂、酚醛丁腈、环氧尼龙等胶粘剂）涂布于被粘表面上，待溶剂挥发后叠合涂胶面，然后加热加压使胶粘剂交联固化以达到粘接目的。,三、胶粘剂的固化-温度,加热固化时，必须严格控制胶缝的实际温度，保证满足胶粘剂固化温度要求。工业上常用的固化设备有三种： 热压机，由加热平板传递压力和热量，用于平面零件； 热压罐，由空气传递热量和压力，适用于大型复杂制品； 固化专用夹具，适用于特定部件的粘接固化。,.,固化时间温度对环氧胶强度的影响,三、胶粘剂的固化-时间,.,五、工艺控制,粘接工艺质量很难从外观判断，关键在于加强全面工艺过程管理，控制影响粘接质量的一切因素，其中包括： 粘接环境条

13、件控制（温度、湿度、含尘量等）； 胶粘剂质量控制（复验、存放及使用管理等）； 测量仪器及设备控制（压力仪表，固化设备等）； 粘接工序控制。,四、粘接质量控制,粘接部位在使用中所发生的破坏现象是对粘接质量的最终检验。粘接件破坏有四种一般的形式，应选择合理的粘接工艺，尽量实现内聚破坏或被粘物破坏,.,六、粘接质量检验,包括目测、破坏性试验（主要是力学性能测试）和无损检验。 力学性能测试，是对粘接件重要的检验。对工艺控制试样和制品抽样，需通过破坏性检测，来考核粘接质量。包括： 粘接基本性能(拉伸、剪切、剥离、冲击及疲劳强度等) 使用性能（耐介质、高低温交变、加速老化及耐候性能等） 作承力结构的粘接件

14、还需进行多种静、动力承载试验 （张力场、轴压稳定、结构振动及疲劳寿命等）。 无损检验，即用仪器探测粘接接头质量缺陷的方法。无损检验方法很多，有利用声阻仪、谐振仪和涡流声仪的声振检验法，全息照相法，X射线照相法，超声检验法，热学检验法等。,.,第3章 胶粘剂性能测试,3.1 胶粘剂主要性能指标,1、贮存期(storage life；shelf life) 2、适用期(pot life；working life) 同义词：使用期。 3、固体含量(solids content) 同义词：不挥发物含量。 4、耐化学性(chemical resistance)，胶接试样经酸、碱、盐类等化学品作用后仍能保

15、持其胶接性能的能力。 5、耐溶剂性(solvent resistance)，经溶剂作用后 6、耐水性(water resistance)，经水分或湿气作用后 7、耐烧蚀性(ablation resistance)，抵抗高温火焰及高速气流冲刷的能力。 8、耐久性(permanence；durability) ，长期保持其性能的能力 9、耐候性(weather resistance)，抵抗日光、冷热、风雨盐雾等气候条件的能力。,.,10、胶接强度(bonding strength)，使胶接中的胶粘剂与被粘物界面或其邻近处发生破坏所需的应力。 11、湿强度(wet strength)，试样浸泡后测得

16、的胶接强度。 12、干强度(dry strength)，试样干燥后测得的胶接强度。 13、剪切强度(shear strength)，在平行于胶层的载荷作用下，胶接试样破坏时，单位胶接面所承受的剪切力mpa 14、拉伸剪切强度，平行于胶接界面层的轴向的拉伸载荷mpa 。 15、拉伸强度(tensile strength)，垂直于胶层的载荷作用mpa 16、剥离强度(peel strength)，在规定的剥离条件下，使胶接试样分离时单位宽度所能随的载荷。kn/m 17、冲击强度(impact strength)，胶接试样随冲击负荷而破坏时，单位胶接面所消耗的最大功。j 18、弯曲强度(bendin

17、g strength)，胶接试样在弯曲负荷作用下破坏或达到规定挠度时，单位胶接面所承受的最大载荷mpa,.,胶粘剂的物化性能测试,1、外观：测定胶液的均匀性、状态、颜色和是否有杂质。 2、密度：用密度瓶测定液态胶粘剂的密度。 3、粘度：用涂-4粘度计（秒）和旋转粘度计（Pa.S）进行测试。 4、固化速度：研究胶粘剂固化条件的重要数据。,.,3.2 剪切和抗拉强度,1、剪切强度：胶接头在单位面积上能承受平行于胶接面的最大负荷。分为拉伸剪切、压缩剪切、扭转剪切和弯曲剪切。 2、剪切强度的测试方法： A、单搭接拉伸剪切强度测试，铝片单面搭接方法最常用，测定时应不少于5对，取其算术平均值并观察破坏特征。 B、压缩剪切强度测试，用于厚的非金属板材的胶接。,.,3、胶接头抗剪强度的因素（应力集中） A、被粘物和胶粘剂的影响：被粘物的模量和厚度越大，则应力集中系数越小，胶接头的抗剪强度越大。胶粘剂模量高，应力集中严重，胶接头的抗剪强度就越小。 B、胶粘剂层厚度的影响：胶层越厚应力集中系数越小，然而内部缺陷呈指数关系增加，由温度变化引起收缩应力和热应力，使抗剪强度下降。 胶层太簿就容易造成缺胶，均匀的簿胶层厚度最好控制在0.03-0.15mm之内。 C、搭接长度的影响：应力集中系数随着搭接长度的增加而增加，接头的抗剪强度下降。,.,剪切和抗拉强度,抗拉强度是指胶接头在单位面积上所