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粘接机理与胶粘剂的选择

时间: 2011-07-25 10:00 来源: 作者: 点击:
胶粘剂的基本功能

胶粘剂的基本功能是涂覆在被粘物表面间使这些被粘物连接起来。在要制造粘接件时,首先要考虑从不同类型的胶粘剂中挑选适宜的胶粘剂。这就提出了凭借什么标准来挑选胶粘剂的问题。如果是根据使用者早先的经验,而不考虑粘接件的所有条件、要求,那么将可能得不到最好的制品粘接件。由于不存在能满足所有材料,所有应用条件和所有粘接条件的万能胶粘剂,所以经常需要将所期望的粘接性能及所要求的粘接条件折衷一下。对每种粘接件要判定哪些性能或条件是最重要的,哪些是不那么重要的。通常在挑选胶粘剂时主要考虑的因素是,被粘接材料、粘接件的强度和耐久要求、粘接件的服务要求、粘接过程的要求,成本和其它的专门考虑,等等。在制造粘接件之前,应该了解粘接件所要求的全部信息以及在制造过程中粘接件制造都的条件。只有了解上述信息后,才能决定是从现成的胶粘剂商品中选择一种适宜的胶粘剂叱,或是需要设计和制造一种适用的胶粘剂新品种,或是不能彩胶粘剂。

虽然有许多书中介绍了许多类型胶粘剂的性能及适于的被粘接材料的类型,但没有讲到被粘材料和粘合件的尺寸、粘合件的暴露条件(暴露于服务环境时所受力的情况:是否连续地、间歇地、振动地或循环地受力等等),以及其它许多因素。而这些因素对于认定胶粘剂本身所起的作用以及其与被粘接材料的相互影响是重要的。

当几种化学了万分完全不同的胶粘剂,都可以满足一种粘接接头的物理性质方面的要求时,要注意,接头在某方面强度获得额外的增益时,这种增益常常是牺牲了另外性质的结果,或者增加了成本。同时不要超规格使用有粘剂,因为片面的追求高指标,将有可能导致粘合件的可靠性不足。只要有可能,在挑选胶粘剂时应尽可能得到胶粘剂制造者或胶粘工艺的内行专家的帮助。

粘接组合件的要求

在考虑粘接时,粘接组合件的结构常常是胶粘剂选择的决定因素。被粘接零件之间接头类型和式样是结构的主要表征。通常接头类型有角接、T形接、对接和面接。两个平板形零件间粘接时,采用面接显然比其它类型的接头强度高,甚至采用较低强度的胶粘剂也能获得较好的接头强度。同样是面接,套接和槽接与平面接相比,在差不多的面积上会得到更高的接头强度,因此常常用不着采用高强度胶粘剂。虽然采用对接时,这类型接头适于承受张力或压力,要求采用较高强度的胶粘剂,但如果采用隼式对接、坡形对接或阶梯形对接,就可以采用不那么高强度的胶粘剂。在被粘区域内,尽可能地扩大被粘面积,有助于在不降低接头强度要求的情况下,采用价廉、强度较低的胶粘剂。

粘接组合件的整个加工过程或多或少对胶粘剂的选择有影响。粘接前的加工在被粘面所造成的表面直接关系到粘接效果,如果不能改变它,那就要选择与这种表面相匹配的胶粘剂。在粘接完成以后,整个被粘接件的加工方法(切削、冲压、加温、冷冻、浸渍等等)在选择胶粘剂时也都要考虑到。整个粘接件如果是生产流水线上的一个单元,为了与其他单元同步,所采用的胶粘剂操作性能必须与生产线的速度相适应。同是胶粘剂的形态(液体、膏状、膜状或固体)与粘接件的加工手段(手工或机械)也要相匹配。

有时对胶粘剂的要求远不只是简单粘接作用。这些粘接以外的作用,包括绝热、电绝缘或密封(对气体、潮湿、油类和溶剂)。有时要求胶粘剂对被粘体或接头具有抗腐蚀性、抗振动性和抗疲劳性。对胶粘剂的第二作用的要求有进有显著的重要作用,可能成为挑选胶粘剂时主要考虑的因素之一。

被粘材料

被粘材料的物理性质和化学性质及其在粘接前所需的表面制备程度,是挑选胶粘剂所考虑的另一重要因素。此时的选择目标是扩展接头上的粘接程度,使接头在受试时粘接是内聚破坏而不要在胶粘剂/被粘体界面上发生接头破坏。因为这样就有可能达到粘接剂的最高强度。

低强度材料,如织物、毛毡或某些类似木材的材料,可能比胶粘剂还要脆弱,因此接头破坏发生在材料内容。对这类应用,所选的胶粘剂允许粘接件在其材料经受得住的任何物理条件下使用,而且无粘接破坏的危险。此时使用高强度胶粘剂将使粘接材料超规格或者高价化了。

被粘体的厚度与强度同样重要,特别是在那些胶粘剂的弹性系数与接头设计相关的地方。柔性材料,如、薄金属片、膜等,它们在使用中易于弯曲,不要用硬而碎的胶粘剂来粘接,因为 类胶粘剂可能破裂而导致粘接强度降低。被粘体的可曲挠性或热膨胀性的差异可使在胶层内产生内应力。这样的应力可能在接应承载任何外加负荷前就已导致接应过早地破坏了。这样的接应在零下温度使用特别危险。在一定程度上,应力可用接应设计减到最小,但已固化的胶层仍存在应力。相同材料之间是客观存在最小应力的地方。通过调节胶粘剂组成和挑选胶粘剂,可以指望一种胶粘剂,其流变性、热膨胀性和化学稳定性都与被粘材料类似。在化学介质(气体、液体)中接头材料之一膨胀,将导致应力接近到胶粘剂与被粘体界面上。对不同组成的被粘材料(如钢与塑料),有人提出,如果这两种材料的弹性模数各自为E1和E2,总的相对伸长各自为L1和L2,要满足最小应力的必要条件,是胶粘剂的弹性模数接近于1/2(E1+E2),总伸长接近于1/2(L1+L2)。此处L=施张力于单位长度时的长度变化。这种关系是假定的关系。这种根据胶粘剂的机械性质应是界于被粘体之间的选择方法,是假设此时胶粘剂的其它性质是满足了粘接件的制造和使用条件的。此处强调了强度,但在许多场合,接头的其它性能比最终强度还显得急需,而最终强度并不那么重要(例如密封),那就要考虑粘接剂的其它性能。

另一个不可忽略的因素是胶粘剂的形态。溶剂型胶粘剂在粘接热塑性薄膜或其复合薄膜时使接头的边缘起折皱,而它们对硬质热塑性材料的作用常常减少了对材料表面处理的要求。被粘材料的特殊形状通常有助于特殊形式胶粘剂的应用。铝蜂房结构对平金属薄板的边接,用液态底胶和热固性胶膜(玻纤布作衬)粘接最好。用糊状胶比较方便地将铜翼片和铝管制成换热器。对多孔性材料,采用粘度特别大的或者膏状胶粘剂更合适。

粘接体受力情况

胶粘剂从柔性的未干的材料变成韧性的、硬的固体,其内聚强度性质大幅度的变化,其幅度约几千N/cm2。其内聚强度的增加是胶层能承受不同应力的根本原因。但内聚强度的形成也是粘接体内应力产生的重要原因。

在某些例子中,可能只需要胶粘剂起临时粘接作用。如象在定位和锁紧零件时,使零件固定。在对胶粘剂有特殊的强度要求的应用中,考虑粘接应力是必要的。其中尤其是产生应力的本质及应力的大小、粘接件的应用条件。粘接剂选定之后,接头上胶粘剂的性能还依赖于许多因素,最重要是接头设计、被连接表面的状态、所使用的粘接技术、胶层的厚度、以及被粘体零件的强度和厚度或形状。胶粘剂所提供的应力的类型和大小很大程度上决定于接头设计。粘接体可能受到剪切力、张力或压缩力、或者劈力或剥离力,以及这些应力的任何结合力。大多数胶粘剂显示了好的抗压强度;某些胶粘剂可能有低的剥离强度,但有高的抗剪切强度,或者相反。常常可能达到所需要的接头强度,甚至用低强度胶粘剂也是如此。当然,在不能设计大面积接头的地方,采用高强度胶粘剂就成为必然的了。

接头胶膜的厚度以选择适合的胶粘剂来满足所需要的强度是有特殊意义的。采用高模数的胶粘剂,在胶膜厚度较小时得到较高的抗张强度和抗剪切强度。热固性树脂要得到最佳强度通常胶膜厚度0.03-0.12mm,低于0.03mm强度通常要降低。强度与被粘表面的光滑度有关,接头缺胶是危险的。另一方面,用弹性胶粘剂时,增加胶膜厚度会产生较高的剥离强度。尤其是在胶膜超过0.13mm厚时,通常会达到最佳强度。为了减少接头应力,不采用固化后比被粘材料还要硬的胶粘剂。

粘接体所受外应力的条件必须详细说明。对粘接头可能支持的负荷,如间歇负载或振动负载,并不是所有胶粘剂的功效都正好一样。有的胶粘剂形成硬的易碎粘接层,在振动负载容易破裂;而另一些胶粘剂虽然经受得住间歇负载,但不能支持连续负载。提高负载速率对许多胶粘剂来说,会明显地提高粘接强度(例如冲击或剪切强度)。这也是一个值得考虑的因素。

被粘体和胶粘剂的相容性

当被粘体与胶粘剂不相容时,将导致粘接件的粘接破坏。甚至胶粘剂的组成之一与被粘体不相容时也是如此。

例如:金属部件受到酸性(或碱性)胶粘剂的腐蚀;
柔性塑料中的增塑剂迁移到胶粘剂,导致界面粘接破坏;
胶粘剂中溶剂或挥发物对塑料薄膜的作用。

只要有可能,在提供胶粘剂样品的同时,都要提供其性质的详细说明,这无疑对胶粘剂的制造者或粘接工艺的实施者都是有益的。对电子元件和印刷电路板,通常要求在使用或贮存条件下胶粘剂不腐蚀铜及其它元件材料。在炸药或类似的火工材料粘接时,其它的化学反应发生可能破坏粘接,甚至对炸药有不利影响(即敏化或钝化)。

粘接过程的要求

胶粘剂粘接的条件对选择正确的胶粘剂同样是重要的判据。

在工厂或装配线生产中,确定的装配环境可能限制粘接产品对胶粘剂的选择。这时所考虑的胶粘剂的操作性能往往可能摒弃用户的潜在兴趣。与粘接过程相牵连的典型因素包括:

1、胶粘剂的形态;
2、胶粘剂的制备和应用方法;
3、胶粘剂的储存期;
4、胶粘剂的适用期;
5、使用胶粘必须的手段或设备;
6、粘接过程的可变性;
7、涂胶和粘接(叠合)之间允许的时间;
8、胶层干燥的时间和温度;
9、胶层的固化温度和使用温度;
10、不同温度下粘接强度的变化率;
11、特殊要求和预防措施,如气味、易燃性和毒性等等。

在这里只讨论上述典型因素中的几个:

施于工件的胶粘剂的挑选方法,除了决定于胶粘剂的物理性质外,还决定于零件的大小和形状,被涂组成件的数目及零件的尺寸。

胶粘剂的形态从稀薄液体状至膏状和固体状。但对不同形态,要采用不同的使用手段。例如:对稀薄液体状就喷涂、刷涂或滚涂;而对膏状胶粘剂,则使用涂胶机或刮刀式涂胶机。

对被粘体来说,胶粘剂的粘接性通常是重要的。对已涂布胶液将要装配的零件,钉着性或粘接性起决定作用。在装配时,粘着时间范围决定粘合件涂覆和装配之间的时间间隔。因此粘着性质将决定胶粘剂必须的使用条件(即胶粘剂的形态、传质速率、混合时间以及应用方法)。与热塑性胶粘剂相反,热固型胶粘剂的粘着性通常较小。粘着性变化很大,这依赖于胶粘剂分子的结构和聚集形态。胶乳状胶粘剂只有当其液体分散介质(载体)的移去(挥发)而变粘;溶剂基橡胶甚至在含有可观量的溶剂时就变粘。两种胶都显示很好的粘着性。

对某些粘合件,胶粘剂的固化温度影响到胶粘剂的选择。许多热固性胶粘剂要加热和加压才能形成粘合件,而加工过程中不可能实现这些条件进,通常使用冷固化胶粘剂。胶粘剂的选择还可以决定于粘合件的部件的几何性及其排列情况。通常松配合的部件需要隙性胶粘剂;反之,紧配合的部件间需用低粘度胶粘剂。

使用条件

对每一种装配件来说,在为它挑选胶粘剂时必须考虑到粘合件在所期望的整个使用期中,在使用条件下必须维持的强度。因此,为了要详细说明一种适用的胶粘剂,设计者必须了解需要满足的所有情况。通常,重要的是强度和耐久性要求,有关的这些因素在粘接体受力情况中讲到过。不同类型的胶粘剂对不同的应力及施力速率响应的差异范围很大。热塑性胶粘剂不适于结构应用,因其在支持较低的负载时就倾向于破坏,并且在受热时软化。热塑性胶粘剂是不能经受住长时间的振动应力,虽然在短时持续试验中它比热固性的显示出更大的强度。热塑性橡胶型胶粘剂通常具有高的剥强度,但其抗张强度和抗剪强度相对的低。相反,热固性树脂常常用作结构胶粘剂的基本组分。结构胶粘剂在常温下变成相对硬的胶粘层,而且保留其大部分的强度。因此,一般说来在要求高强度和高的耐破坏稳定性的场合,应用热固性结构胶粘剂是可取的。以热固性树脂或橡胶/树脂为主要万分的胶粘剂,同样适用于支持振动负荷,但对支持剥离应力或劈开应力其强度相对地差。在冲击负荷下,彩回弹性胶粘剂将证明比采用易碎的热固生胶粘剂更满意。

另一个值得考虑的重要因素是胶粘剂所要求的有效应温度范围。通常粘合件的使用温度,是指胶层温度,而不是环境温度。粘合件的温度常常低于环境温度,特别是粘合件是间歇地或短时暴露于加热环境中时更是如此。在高温下所有胶粘都要不同程度地损失强度,且部分540胶粘剂软化或分解成无用的东西。在70°C以下有许多类热固性和热塑性胶粘剂都可使用;但在120°C时,只有少数热塑性胶粘剂(例如硅橡胶类),在间歇暴露在低的施力速率的情况下可仍能经受得住。在同样的情况下,大多数热固性胶粘剂都经受得住,而且在连续暴露时也会得到满意的结果。超过120°C,只适于采用具有更稳定的抗热性的热固性胶粘剂了,如酚醛/丁腈和环氧/酚醛。环氧化酚醛胶粘剂、三聚氰酸环氧胶粘剂、二苯酮四酸二酐固化的双酚A环氧胶粘剂,都能在200-260°C空气中使用。有机硅胶粘剂通常可在200°C长期使用,只是粘接强度不高。在350°C以上的温度可以彩聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯基喹噁啉和吡咙类的胶粘剂,聚酰亚胺可短时用于480°C,而聚苯并咪唑可短时用于°C。

在-80°C许多胶粘剂由于发脆和内应力而导致粘合体内聚破坏。在零下温度的情况下,较可取的是选用可曲挠性胶粘剂(例如聚氨酯和环氧/尼龙)具有超过6.000N/cm2的抗剪切强度。

除了温度之外,还有许多其它情况可能影响胶粘剂的强度和耐久性。很多胶粘剂在一定程度上受温度的影响,尤其在受力的条件下。温度对天然胶粘剂产品的影响常比对合成胶粘剂的大。对下列环境因素的影响也需要给予足够的注意。

1、化学试剂;  2、热水和冷水;  3、油类;  4、溶剂; 5、液体流;  6、化学环境(如臭氧、酸气、盐雾); 7、外界气候和老化;  8、辐射(如阳光,X-射线、放射性、红外线); 9、生物(制剂)的影响(如天然胶粘剂由于其中有些万分对生物的滋养作用,容易受到霉菌、真菌、虫与啮齿类动物的侵害)。

尽管在使用中胶粘剂的性能受到各种因素的影响,但挑选胶粘剂时是只要能恰当地满足主要的因素,就认为是可用的,不必超规格要求。如在大气中湿度不高的地方,就不要选用抗蒸汽型胶粘剂。

胶粘剂的服务寿命

通常对胶粘剂要求有一个服务寿命,即粘合件的使用寿命,实际上要求胶粘剂的粘接有效期或寿命应比粘合件长一些。例如粘接磨刀石对金属座子所使用的胶粘剂,必须直到磨刀石耗尽都要维持满意的粘接。鞋类要求胶粘剂至少要维持一个穿着季节,汽车的刹车蹄片用胶粘剂在一个保养里程内必须维持有效的粘接。

当然,某些情况下,短的使用寿命是对胶粘剂的另一种要求。在装配中有时需要用胶粘剂暂时将零部件粘附住,以便用其它手段使之安装好;或者在加工过程中用胶粘剂将工件“夹持”在工作台上,例如对玻璃、石料、磁头或金属等的磨琢时的情况。烧结前瓷粉的粘接和铸造型砂材料的粘结是暂时粘接的另二种例子。对铸造型砂的粘结还有特殊的要求,即在浇铸件定形后,粘接就失效,砂型就崩解不再附在浇铸件上。蜡、火漆、虫胶等常常作为暂时性胶粘剂。

粘接件储存的要求

以粘接件的使用条件,通常已为人们所重视,但对粘接件的储存条件却容忽视。正确的作法是,在挑选胶粘剂时就重视在运输和储存中粘合件可能受到反常的极端温度和碰撞(冲击)负荷。例如喷气发动机是在热状态下工作,而可能储存在-40°C以下的环境中或在这种条件下运输。如果在选择胶粘剂时忽略储运条件,就会造成粘合件在使用前损坏。

成本

把粘接过程作为一个整体来考虑,挑选胶粘剂的适当性质比胶粘剂的成本更重要。除了胶粘剂的价格外,还要考虑到采用所挑选的胶粘剂的生产效率以及其它因素,仅仅采用最低成本的胶粘剂,不顾下列有关因素,未必会收到好的经济效果:

(1)粘接的总效率(与粘接面积和元件数目有关);
(2)应用或加工过程所需设备的容易性(设备包括模具、夹具、加压具、加热炉、涂敷器等);
(3)过程所需的时间(包括装配时间、被粘元件的准备时间、固化时间等);
(4)被粘元件装配和检验的劳动成本;
(5)同基他连接方法相比废弃料的数量。

通常宁可采用粘接工艺简单的快速定位胶粘剂,只要不用复杂的装配夹具或模具,那怕胶粘剂的价格高一引起也是合算的。

特殊的考虑

对大多数应用来说,以上论讨的条件提供了一个选择合适的胶粘剂充分基础。然而在一些特殊的情况下,另外的某些因素也可能影响胶粘剂的选择,甚至它们会成为主要考虑的因素:

1、电学性质

在印刷电路板的制造中,通常需要详细介绍胶粘剂的介电常数、介电损耗、绝缘电阻之类的电学性质。胶粘剂的电学性质可用混入适当填料来改变,当然这种方法也可改变传导性。

2、光学性质

光学系统通常需要一个给定折射率的无色透明的胶层。对质量要求高的光学系统(包括镜头和镜子)应该避免因胶层固化而过度收缩所造成的光学元件的应力。而在需要色泽的地方,可用染料或颜料来着色。但某些胶粘剂具有永久性色泽,这就妨碍了它们对许多光学粘合件的应用。

3、危险性及安全预防办法

对于象食品包装这样的工业应用,胶粘剂必须是无毒的和不带有令人不愉快的味道或气味,否则会遭到成品用户的反对。某些胶粘剂在应用、混合或固化时产生的气味,妨碍了它们在大规模装配过程中的应用。对胶粘剂在粘接过程中散发出的气味应提供足够的通风。

另一种危险是可燃性,它妨碍了溶剂基胶粘剂在一些生产过程中使用。这方面值得注意的例子是,在涂过胶粘剂而表面发粘的纺织物基材上,用静电充电使毛屑沉积来制造植绒产品的过程中,严重地存在着电火花放电点燃胶粘剂蒸汽的可能性。在这种场合下应特别注意小心地防火。

胶粘剂的组成中可能含有引起皮肤刺激和导致皮炎的成分(例如某些环氧树脂),应注意操作,避免皮肤暴露于有毒蒸汽中。

对胶粘剂在使用过程中散发出来的有害气体或蒸汽,在选择胶粘剂时就要考虑到尽可能地减小它们在大气中的浓度,使其不要超过政府规定的或国际通用的标准。

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