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胶粘剂技术与应用

一、胶粘剂的重要作用
 
随着经济和科学的发展,工业、农业、交通、医疗、国防和人们日常生活中都离不开胶粘剂。几乎任何人、任何物品均涉及到胶粘剂。我国胶粘剂起步于20世纪50年代,进入90年代后,胶粘剂工业有了突飞猛进的发展,胶粘剂已经成为一类重要的精细化工产品,2010年,我国合成胶粘剂的消费量685万吨,现在年均增长率超过10%。胶粘剂的粘接技术因具有各种奇特的功能,而在各方面都获得了成功的应用,并且有着巨大的发展潜力,由此引起了人们极为广泛的关注。
 
胶粘剂已经渗透到现代工业和日常生活当中,可以说,哪里有人类,哪里就少不了胶粘剂产品和粘接技术,它为工业提供了新颖实用的工艺,为人类营造了多姿多彩的生活。胶粘剂和粘接技术在结构连接、装配加固、减震抗震、减重增速、装饰装修、防水防腐、应急修复等方面的作用越来越大,特别是在节能、环保、安全以及新技术、新工艺、新产品的开发中已经成为重要的工程材料和工艺方法。
 
胶粘剂是现代工业发展和人类生活提高必不可少的重要材料,粘接技术是其他连接方式无以伦比的特种工艺,在现代经济、现代国防、现代科技中发挥着重大作用,现代航天、航空的各种飞行器上粘接部位较多,粘接面积较大,例如B-1飞机的机身、机翼、操作面、整流罩、整体油箱等部位,其胶接面积高达全机表面积的80%;波音747飞机的胶接面积约为3000m2。飞机采用胶粘连接,结构质量减轻15%,总费用节约25~30%。一架重型轰炸机采用粘接代替铆接,其结果是结构质量降低了34%。一台大型雷达采用胶粘结构,质量减轻20%。轿车车身采用粘接代替点焊后,可减轻质量约10%。轮船采用胶粘的蜂窝夹层板制造船身,可减轻质量40%,且提高了行驶速度和安全性。随着汽车的轻量化、高速化、舒适化,必然要大量采用薄壁结构和塑料零件,粘接则是最好的连接方式,国外汽车用胶量每辆平均20~22kg,日本则高达40kg。国内汽车每辆用胶16~22kg。
 
近代建筑要求美观新颖,室内设施讲究舒适豪华,装饰材料五花八门,胶粘剂在建筑中起着轻质、节能、密封、防漏、保暖、防污、耐久等特殊的作用。
 
胶粘剂应用在医疗上正在兴起与推广,用于修补脏器、接骨植皮、缝合止血、修补鼓膜等。美国开发出一种新型胶粘剂可以代替临床上使用的金属条和不锈钢螺钉,用于修复髋骨、股骨等处的骨折,无须进行手术,注入到骨折处,10min内迅速固化,骨折处恢复到原有水平。
 
胶粘剂和粘接具有连接、密封、绝缘、减震、隔热、消音、阻尼、降噪、防潮、粘涂、导电、导磁、减磨、耐油等多种功能。胶粘剂用量很少,作用不小;耗费不多,收效很大。例如家喻户晓的502瞬干胶用量用滴计,固化以秒计,强力以吨计。粘接效率很高,进20年来粘接和密封技术的发展速率比传统的铆焊连接方式快2.5倍。工业发达的国家人均年消耗胶粘剂量可达8~14kg,用量如此之大,也能说明胶粘剂的作用何等重要。可以深信,胶粘剂和粘接技术在现代社会生产和生活当中,一定会发挥更重要的作用。
 
二、胶粘剂的粘接技术与原理
 
胶粘剂:通过界面的粘附和物质的内聚等作用,能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质,统称为胶粘剂,又叫做粘合剂,习惯上称为胶。简而言之,胶粘剂就是通过粘合作用,能使被粘物结合在一起的物质。胶粘剂是通用术语,包括一些胶水、胶泥、胶浆、胶膏等。
 
胶粘剂必须要通过适当的粘接过程才会发挥它的功能。对每一种胶粘剂而言,他并不是万能的,不同品种、不同品牌的胶粘剂都有其特殊的适用对象和施工方法,不同材料在不同场合使用对所用胶粘剂的要求也不尽相同。可以说,为了提高材料的粘接强度,充分发挥胶粘剂的功能,先进合理的粘接技术与胶粘剂有同等重要的作用。
 
所谓粘接是指两个表面靠化学力、物理力或两者兼有的力使之结合在一起的状态。粘接时胶粘剂首先必须在被粘物表面粘附,这是由于两相之间产生了粘合力,该力来源于次价键力、或主价键力。
 
、粘接的一般过程
 
在进行粘接之前,首先要对被粘表面进行适当的处理,然后将准备好的胶粘剂均匀地涂覆在被粘物表面上,接着便是胶粘剂湿润、流变、扩散、渗透、叠合之后,使之紧密接触。当胶粘剂的大分子与被粘物表面的距离小于0.5nm时,则会相互吸引,产生范德华力或形成氢键、配位键、共价键、离子键、金属键等,加上渗入孔隙中的胶粘剂,固化后生成无数的小“胶钩子”,从而完成了粘接过程,于是获得了牢固的粘接。一般来说,粘接过程就是表面处理、涂胶、叠合、固化、后处理等,是一复杂的物理化学过程。
 
、呆粘表面特征
 
粘接的对象皆是固体,按其聚集状态可分为晶体和非晶体。然而,粘接作用仅发生在表面及其薄层,因此,粘接实质上是一种界面现象,与固体表面的特征息息相关。
 
固体表面的复杂性:任何固体表面层的结构和性质与它的内部完全不同,经过长时间暴露之后,其差别更为显著。固体表面往往是由吸附气体、附着水膜、氧化物、油脂、尘埃等组成,因而是不清洁的,也是很复杂的。
 
固体表面的粗糙性:宏观上平整光滑的表面,在微观上都是很粗糙的,凸凹不平,似是峰谷交错。两个固体表面的接触,实际上只是高峰点的接触,其接触面积仅为几何面积的1%。
 
固体表面的多孔性:固体表面布满了大小不同的孔隙,有些材料基体本身就是多孔的,表面当然也不例外。就是基材本身密实的材料,表面也会因粗糙、氧化、腐蚀等作用形成多孔表面。
 
固体表面的高性能:由于固体表面结构的不均匀性,处于表面凸出部分的高峰棱角或台阶处的原子或分子的力场不均衡,因此这些不为具有更高的能量,也就是说,固体表面的能量高于内部的能量。
 
固体表面的吸附性:因固体表面的能量高,为使其稳定,必然吸附一些物质,这就表现出吸附性,这样一来,即使是新制备的表面,也很难保持绝对的清洁。
 
、粘接作用的形成
 
粘接的作用是发生在相互接触的界面间,首先是胶粘剂对被粘表面的充分的湿润,但良好的湿润只是必要条件,实现粘接还必须具备满足充分条件,这就是胶粘剂和被粘物之间形成足够的粘合力。概括而言,粘接作用的形成,一是湿润性,二是粘合力,两者必须同时兼备。湿润又称润湿,是液体在固体表面分子间力作用下的均匀铺展现象,也就是液体对固体的亲和性。两者间的接触角越小,固体表面就越容易湿润。液体的湿润主要由表面张力所引起的,液体和固体皆有表面张力,对液体成为表面张力,而固体称为表面能。湿润性主要由胶粘剂和被粘物的表面张力所决定,还与工艺条件、环境因素等有关。
 
胶粘剂对被粘物的湿润只是粘接的前提,还必须能够形成粘接力,才能达到粘接的目的。粘接力是指胶粘剂与被粘物之间的连接力,它的产生不仅取决于胶粘剂和被粘物表面的结构和状态,而且还与粘接过程的工艺条件密切相关,粘接力是胶粘剂被粘物在界面上的作用力或结合力,包括机械嵌合力、分子间力和化学建立。
 
机械嵌合力:是胶粘剂分子经扩散渗透进入被粘表面孔隙中固化后镶嵌而产生的结合力,类似于草木扎根泥土、轮船抛锚水底,因此也称为投锚力。这种嵌合力虽然很小,却是不可忽略的。
 
分子间力:是胶粘剂于被粘物之间分子相互吸引的力,包括范德华力和氢键,其作用距离为0.3~0.5nm。范德华力是色散力、取向力、诱导力的总称。氢键比范德华力大很多,接近于弱的化学键。分子间力是产生粘接力最普遍的原因。
 
化学键力:是胶粘剂与被粘物表面能够形成的化学键,有共价键、配位键、离子键、金属键等,键能比分子间力高得多,化学键的结合是很坚固的,对粘接强度的影响极大。
 
三种力对粘接力各自贡献大小尚难确定,可以认为,粘接力是机械嵌合力、分子间力和化学键力综合作用的结果。机械嵌合力和分子间力是普遍存在的。若能形成化学键,尽管数目可能不多,却会使粘接力大增。
 
总之,粘接作用的形成,湿润是先决条件,流变是第一阶段,扩散是重要过程,渗透是有益作用。成键是决定因素。
 
三、胶粘剂和粘接技术的特点
 
新颖独特的胶粘剂和粘接技术,具有非凡的多功能,能够实现多重目的,与铆接、焊接、螺接、键接、榫接等相比具有许多特点。
 
对于材质、形状、厚度、大小、模量等相同或不同的材料,均可有效粘接,尤其适宜异形、异质、薄壁、复杂、微小、硬脆或热敏等制件的粘接连接。
 
应力分布均匀,不削弱结构并避免了因铆钉孔、螺钉孔和点焊周围应力集中所引起的疲劳龟裂,从而延长了使用寿命。
 
没有焊接引起的变形翘曲、金相改变、硬度降低、涂层破坏、残余应力或受热冲击。
 
粘接不同的金属,没有电化腐蚀危险,且有防腐作用。
 
强度较高,相同面积的接头粘接比焊接和铆接的剪切强度提高40%~100%,疲劳强度提高5~6倍。
 
表面光滑,能够改善气动特性。
 
可以节省零件数量和贵重材料,减轻结构质量,实现轻量化。
 
具有连接、绝缘、密封、防腐、防潮、减震、减重、隔热、消声、导电、导磁等多种功能。
 
可以简化工艺,不要求较高的加工精度,且不需要校正、精加工等后处理。
 
不需要庞大设备,不要求特殊条件,操作简单易行。
 
能够进行特殊条件下的连接,例如水下粘接、野外作业、化工设备高温高压不停车堵漏,石油管线的带压粘接,盛有易燃介质储罐或装置的修复,还有医疗上的脏器修补、止血缝合等。
 
粘接快速,解决急难,缩短工期,节省资源,减少费用,降低成本,提高效率和经济效益。
 
粘接并不能完全代替传统的连接方式,如果能与焊接、铆接、螺接、嵌接等配合使用,则能发挥各自的优点,收到更好的效果。
 
四、胶粘剂的发展方向与前景
 
胶粘剂与粘接技术已经有了相当惊人的发展,随着国民经济稳定持续的增长,将会带动胶粘剂和粘接技术走向更大的辉煌。因此胶粘剂必须适应高科技、环保、节能和市场竞争的需要,符合既要高性能又得环保化的发展方向。
 
目前生产胶粘剂采用的新技术包括1、共混与复合技术:不同材料按适当比例混合,可有效地将各基料的优良性能综合起来,从而得到比单一基料性能更好的胶粘剂和密封剂。这种共混方法具有协同效应,起到相得益彰的作用。2、纳米技术:纳米技术是21世纪颇具发展前途的新技术,将一些纳米材料加入到胶粘剂中,使粘接强度、韧性、耐热性、耐老化性和密封效果都大幅提高。3、生物工程技术:利用生物技术制造胶粘剂势在必然,可以产出类似贻贝液的胶粘剂,用于高耐水环境和海洋工程。4、辐射固化技术:辐射技术是20世纪70年代以来开发的一种全新绿色技术,是指经过紫外光、电子束的照射,使液相体系瞬间聚合、交联固化的过程。具有及快速、高质量、低能耗、无污染、适合连续化生产等独特优点,被誉为面向21世纪的绿色工业技术。5、可降解技术:研究开发科生物降解的胶粘剂,减少某些胶粘剂对生态环境的危害,可降解胶粘剂将会迅速发展。6、清洁生产技术:胶粘剂和粘接技术也要适应环保要求,走可持续发展道路,不用有毒有害原材料,从源头控制,实现“零”排放,生产环境友好的胶粘剂,应当采用清洁生产技术生产出清洁产品,更要采用清洁粘接工疑惑的清洁效果。

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