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胶粘应用

时间: 2011-07-25 09:03 来源: 作者: 点击:
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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