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结构型胶粘剂选用手册经久耐用2为何使用结构型胶粘剂？结构型胶粘剂可用于许多装配作业。相对于机械紧固方法，结构胶粘接具有以下优点：1）不需破坏基材即可实现结构粘接（即：无需钻孔；不会出现焊接金属时的热变形）2）可粘接不同的材料，避免电化学腐蚀3）适用于几何面的粘接，结构设计更有灵活性4）在局部位置应力分布均匀，避免应力集中（从而提高了抗疲劳性）5）表面更平整美观。与其他类型的胶粘剂相比，结构型胶粘剂具有最高的承载能力1）卓越的耐环境性和耐化学性2）通常100%固含量（无需处理溶剂排放问题）3）具有不同的固化速度和性能，选择灵活4）结构型胶粘剂的固化过程不可逆，从而可提供卓越的耐温性和耐溶剂性5）结构型胶粘剂的固化不需要空气和潮气（如单组分硅酮和聚氨酯密封胶）；因此具有无限的固化深度事实上，结构型胶粘剂的性能众多且用途广泛，因此，工程师可能需要更多专业知识以选择适用的结构型胶粘剂。本文将介绍如何选择适用的结构型胶粘剂。然而，与其他胶粘剂相比，结构型胶粘剂不能仅凭直觉使用，所选择的加工方法对结构型胶粘剂的性能具有非常大影响。这些问题将在本文后续部分加以讨论。图1：不同类型的胶粘剂具有明显不同的承载能力（强度）；从我们熟悉的技术（例如：常用于胶带的压敏胶粘剂）到各种液体胶粘剂技术（例如：热熔胶）；环氧树脂胶通常是强度最高的胶粘剂。本图表只涉及了承载能力；非结构型胶粘剂具有便利性和负载隔离功能等性能。本文将主要介绍结构型胶粘剂。在各种类型的胶粘剂中，结构型胶粘剂的承载能力最高。3选择结构型胶粘剂选择胶粘剂时，向专家（例如：供应商的技术工程师或外部顾问）咨询非常关键。但是，在某些情况下，进行更为具体的讨论之前，需先做出初步筛选；或有时候胶粘剂的用途可能过于敏感而不能跟外部专家进行讨论。在以上情况下，可由工程师定义选择结构型胶粘剂的一般原则。不论选择何种结构型胶粘剂，关键在于测试——如果未进行具体的验证测试，难以最后决定。可根据一些主要原则选择一组胶粘剂进行试验。请谨记，必须根据最终使用要求选择结构型胶粘剂。清楚了这几点后，便可根据使用需求，比较不同结构型胶粘剂的不同处理方法和性能特征选择正确的胶粘剂。特别是，需考虑下述终端使用条件：最终使用时的预期条件：-温度——最高温度和最低温度分别是多少？-湿度——材料是否会淋到雨？是否会接触到盐水？-紫外线照射——接合处是否会暴露在阳光下，以及紫外线是否会穿过基材照射到胶粘剂？耐化学性要求：-流体（机油、汽油、柴油、喷气式发动机燃料）——这些流体是否会接触到接合处？-清洁溶液（弱酸和弱碱）——是否需要经常清洁接合处？-粘接部位是否会接触到专业化学品？-是持续接触（例如：在过滤总成中）还是只是偶尔接触？生产和最终使用过程中的清洁/环境问题：-气散、离子型表面活性剂、腐蚀电位——粘接部位是否具有敏感性（例如：电子或光学器件）-毒性、废弃处置——是否符合这些法规要求？胶粘剂是否将用于食品包装或医疗设备中？机械问题-冲击、振动——在使用过程中，粘接部位是否需承受较高的冲击或振动力？-应力类型和大小——粘接层的应力有多高？粘接层将承受何种应力（注意：这是一个非常棘手的问题，我们将在这个系列的另一篇文章中讨论。）上述问题的一般解答（是否需要考虑耐溶剂性？该部位是否要承受持续的振动？）将有助于您决定选用哪种类型的结构型胶粘剂；而具体解答（在最终使用过程中，胶粘剂需承受多高的温度？接合处需承受多少磅的重量？）将有助于您根据制造商的数据表和应用测试结果决定选择哪些特定的产品。4结构型胶粘剂的种类及其性能标准结构型胶粘剂通常可按照化学成分进行分类。本文中，我们将“结构”胶粘剂定义为在室温下粘接金属和测试时可承受超过1000psi的剪切强度。通常结构型胶粘剂的种类包括：环氧树脂胶（单组分和双组分配方）；丙烯酸酯结构型胶粘剂（双组分和双步配方）；聚氨酯结构型胶粘剂（双组分配方）；氰基丙烯酸树脂胶粘剂（“快干胶”）。当然，从某种程度上说每种类型的化学成分均可定制，但是也可根据化学成分固有的一般属性进行粗略的比较。下表显示了各种化学成分之间的大致关联。添入各种添加剂后，性能可能会有所变化，例如：增稠剂（增加黏度或硬度）、稀释剂（降低黏度）、可塑剂等；可通过添加特定的固化剂和加速剂改变固化时间。工程师必须检查欲使用的胶粘剂的具体性能，基本分类如下：1)丙烯酸酯结构型胶粘剂用于塑料上通常具有最高的粘接强度，且可用于金属材料的粘接，包括许多油性金属。但是，丙烯酸酯结构型胶粘剂的抗振动/冲击性可能会比环氧树脂胶稍低（因此具有较低的抗疲劳性），且在极端温度条件下具有稍低的性能。丙烯酸树脂胶粘剂用于许多塑料和橡胶材料上通常具有良好的剪切强度（但可能需要使用底涂剂）；但具有较高的刚性，且显示出较低的抗剥离性和抗冲击性。2)聚氨酯结构型胶粘剂通常具有非常好的灵活性，但其强度较低。相对来说，聚氨酯结构型胶粘剂更适用于塑料和橡胶材料的粘接，且价格低于其他类别的结构型胶粘剂。3)环氧树脂胶的性能最广泛，且用于金属材料的粘接时具有最佳的整体性能。标准5分钟的硬质环氧树脂胶通常用于硬件的粘接，具有易碎性。且最适用于应力相对较低且无冲击的应用。【柔性环氧树脂胶】（如3M™Scotch-Weld™环氧树脂胶2216）具有更高的剥离强度和更好的抗冲击性；对于粘接在最终使用时需要一定柔性的部件，是个不错的选择。【增韧型环氧树脂胶】（如3M™Scotch-Weld™环氧树脂胶DO420和DP460）用于吸收冲击力的弹性区域，从而可提供最高的抗剪切强度、抗剥离性、抗冲击性、抗振动性和抗疲劳性；因此，通常用于要求最苛刻的最终应用。然而，在一般情况下，环氧树脂胶要求严格清除金属接合表面上的油渍（例外情况包括大多数单组分热固化环氧树脂胶2214系列和6011系列）。综上所述，如果工程师欲将ABS粘接在不锈钢上，以用于环境压力适中（例如：-20℉至150℉）但存在较低振动或冲击的部件时，可选范围包括环氧树脂胶和丙烯酸酯结构型胶粘剂。如需考虑振动或冲击标准，则可选范围则缩小至环氧树脂胶或特定的增强型丙烯酸酯结构型胶粘剂。5如果工程师欲将木材粘接至塑料材料以在室外使用，且可能会由于气候的变化导致基材的明显移动，则可考虑使用具有柔性的聚氨酯结构型胶粘剂；如果需要更高强度，则可选用柔性环氧树脂胶。低表面能塑料（如HDPE）之间或低表面能塑料与其他塑料之间的粘接需使用特种丙烯酸酯结构型胶粘剂，例如：3M™Scotch-Weld™塑料结构型胶粘剂DP8010.当然，在某些情况下，可能并不要求某一性能具有极限强度或性能。在这种情况下，工程师可降低性能要求以寻求更好的操作和处理能力。我们接下来将讨论这一点。性能环氧树脂丙烯酸酯聚氨酯氰基丙烯酸酯（快干胶）搭接剪切——金属搭接剪切——塑料剪切——油性金属剥离强度抗冲击性与韧性灵活性耐温范围耐溶剂性图2：结构型胶粘剂系列性能比较操作和工艺条件的注意事项一旦工程师认为某种胶粘剂符合最终使用的性能要求，则应考虑操作和工艺条件。这包括储存条件和保存期限，以及装配过程的便利性。如下表所述，不同化学类型的结构型胶粘剂具有不同的性能。讨论操作和工艺条件注意事项时，需区分单组分和双组分环氧树脂胶，因为这两种环氧树脂胶的操作和处理方法非常不同。单组分环氧树脂胶预混合了固化剂和本体；从而无需分别按量配给和混合各个组分，也因此储存条件较严格（例如有过早老化的风险和低温储存要求），且这些配方要求高温热固化（通常为250℉至350℉，121˚C至177˚C；也有部分特殊的低温单组分环氧胶，如6011，仅在90˚C即可固化）。因此，与双组分环氧树脂胶相比，单组分环氧树脂胶的操作应小心谨慎，但相对易于配制，且需要额外的热量进行固化。此外，单组分环氧树脂胶用于金属材料上通常具有最高的剪切强度，以及最优的耐高温性和耐溶剂性。6性能单组分环氧树脂胶双组分环氧树脂胶丙烯酸酯聚氨酯氰基丙烯酸酯（快干胶）储存要求保存期限是否需要测量/混合？室温固化？适用期设置之前是否需要进行重新定位？设置时间/处理强度完全固化时间粘度范围气味潜在的健康安全环保（HSE）问题图3：结构型胶粘剂系列的操作和工艺条件为便于生产，通常选用氰基丙烯酸酯胶粘剂（以下称快干胶）。快干胶无需进行混合，且在粘接之前具有非常长的适用期或开放时间。其缺点包括：一旦粘接部件配接在一起便不能进行重新定位；存在一些固有的气味，且可能意外粘接皮肤。此外，在一些应用中，可能出现快干胶“白化”（这其实是挥发性单体重新固话沉降在部件上）的问题。而3M™ScotchWeld™低气味速干胶LO5和LO100具有较低的白化性，可以克服白化问题。双组分环氧树脂胶、丙烯酸酯结构型胶粘剂和聚氨酯结构型胶粘剂在混合各组分和配接待粘表面后要求留有一定的时间进行固化；在这期间允许进行定位，但同时要求各部件均已固定到位，直至已发生了一定程度的固化。这段时间被称为装配时间、初固时间、生胶强度或操作强度时间。不管怎样，由于制造商的定义各有不同，因此，工程师需认真参考数据表中的数据，以正确确定每种胶粘剂的参数。丙烯酸树脂胶粘剂之类的胶粘剂，混合前在室温条件下比较稳定；双组分环氧树脂胶的室温存储时间最长，而聚氨酯结构型胶粘剂（为湿度敏感型）和快干胶（为温度敏感型）的室温存储时间最短。双组分胶粘剂可采用大容量容器（例如：5加仑提桶或55加仑圆桶）供应，并与混胶设备搭配；也可采用小包装的双组分并排包装（例如：3M™EPX™Duo-Pak系统），这有助于按正确比例进行混合；或采用小罐子或管状容器，而这需要手动测量和混合各组分。7双组分3m™EPX™Duo-Pak系统具有两个并排放置的筒状容器，大小适当可提供正确的混合比例；以及一次性静态混合喷嘴，可在使用时进行正确混合。此外，还提供各种手持式打胶器（如下图所示）。图4：手持式3M™EPX™PlusII打胶器带有一个duo-pak暗盒及附在盒子上的静态混合咀双组分胶粘剂固化注意事项：通过化学反应进行固化的胶粘剂（包括所有双组分胶粘剂），其固化时间随温度的变化而变化。在温度较高的条件下，双组分胶粘剂的固化时间较短（因此，其适用期、施工时间和强度操作时间更短）。在温度较低的条件下，双组分胶粘剂的固化速度更为缓慢，且时间也被延长。在非温控环境下使用胶粘剂时，用户必须考虑到使用环境与70℉-75℉（21℃-24℃,制造商通常用于描述使用时限和操作强度时间）的标准“室温”环境之间的温度差异。总体说来，如果在炎炎夏日的室外条件下使用胶粘剂，施工时间可能是数据表中所示时间的一半；而如果在凉爽的春秋日，且温度可能低至50°s的条件下使用时，施工时间则可能要翻倍。（大致估计为：在温度高于10℃的固化环境下，胶粘剂的施工时间将减半；相反，在温度低于10℃的环境下，施工时间则将翻倍。）在高温环境下需格外注意要快速完成粘接操作，而在低温环境下则需额外的固定时间。除固化时间不同外，在温度较高的环境下，胶粘剂较为稀薄（加热蜂蜜或枫糖浆时也会出现相同的情况）；而在温度较低的环境下，则较为浓稠。胶粘剂变稠还会导致更少的交联性和更低的固化强度；因此，在60℉-80℉（15℃-27℃）的使用温度和大约40℉（4℃）的最低使用温度条件下，通常建议使用双组分胶粘剂。可通过加热缩短这些双组分结构型胶粘剂的固化时间。通常可选项包括烤箱或辐射热源。制造商提供的数据表和其他信息将有助于用户确定可能的固化时间表。8黏度可能也会是个考虑条件；因为不同类型的结构型胶粘剂的黏度各有不同。通常，双组分环氧树脂胶和聚氨酯结构型胶粘剂的黏度范围最广，其产品黏度范围可从非常稀薄到非常粘稠。防流挂胶粘剂可配制为剪切稀释型；从而使其相对易于涂布，但在涂布后又不会流动或流挂。而结构型胶粘剂通常不含溶剂，可能含有易挥发的有机化学成分或其他成分，从而产生异味或可能刺激皮肤或呼吸道。然而，这些通常不是问题，因为用户在使用胶粘剂之前必须查阅材料安全数据表（MSDS）。总结选择胶粘剂时，应首先考虑最终用户需求。应基于上述信息和制造商提供的信息，选择几种胶粘剂进行考虑。然后