深入了解环氧胶粘剂

第 1 章：环氧胶粘剂的原理

本章将讨论环氧胶粘剂是什么、其制造方法及其作用原理。

什么是环氧胶粘剂？

环氧树脂：环氧胶是一种由树脂或环氧聚合物和硬化剂组成的热固性粘合剂，用于将各种表面粘合或连接在一起，形成牢固、永久和坚固的粘合，可以承受极端的压力和天气条件。

粘合剂：指粘贴在表面或物体上。

环氧胶粘剂是应用最广泛的工业胶粘剂，也是适应性最强的结构胶粘剂。固化产物的韧性以及其对各种材料的惊人粘合能力使环氧胶粘剂广受欢迎。环氧树脂胶粘剂解决方案非常易于定制，可满足每个项目的特定性能要求。

环氧胶粘剂由几种环氧胶粘剂树脂制成，这些树脂决定了胶粘剂的基本特性。当需要耐高温时，耐热环氧树脂是理想的选择，而当可以移动时，柔性环氧树脂是最佳选择。

环氧胶粘剂的制作方法

在评估环氧胶粘剂的功效时，查看组成该胶粘剂的化合物的一般成分会很有帮助。两种初始成分（树脂和硬化剂）的混合物聚合会产生环氧树脂。环氧胶粘剂主要由环氧树脂和固化剂组成。可以根据需要添加填料、增韧剂、增塑剂和其他添加剂，包括硅烷偶联剂、消泡剂和着色剂等。

表 1：环氧胶粘剂组合物

环氧树脂主要通过在严格控制的条件下使酚、醇、胺和酸中的活性氢与环氧氯丙烷（通常缩写为 ECH）发生反应而制成。环氧树脂也可以通过用过氧化物氧化烯烃而制成，类似于环脂族环氧树脂的制备方法。

双酚 A 二缩水甘油醚，有时也称为双酚 A 型环氧树脂，是第一种商业化的环氧树脂，至今仍是使用最广泛的环氧树脂。这种形式的环氧树脂预计占工业用环氧树脂的约 75%（按体积计算）。

双酚A二缩水甘油醚是环氧胶粘剂中最常用的环氧树脂，其化学结构和众多功能基团的重要特性。

当树脂与特定催化剂结合时，固化就开始了。固化是分子链在化学活性位置发生反应时发生的放热反应。由于这种结合，树脂的环氧基团和硬化剂或催化剂的胺基之间形成了共价连接，使聚合物交联，决定了环氧树脂的刚度和强度。通过监测固化条件（温度和树脂和硬化剂化学品的选择），可以改变机械强度质量以及耐热、耐电和耐化学性。因此，环氧粘合剂可满足广泛的应用和操作环境。

环氧树脂粘合剂可粘合多种材料，其质量取决于体系的化学性质和可用的交联类型。卓越的耐化学性和耐热性、良好的粘合性和耐水性以及令人满意的机械和电气绝缘性只是最重要的性能要求中的一小部分。

环氧胶粘剂是最常用的结构胶粘剂，通常以单组分或双组分系统的形式提供。单组分环氧胶粘剂通常在 250 至 300°F 的温度下固化，从而产生具有强度、强金属粘合力以及耐环境和耐恶劣化学性的产品。实际上，这种产品经常被用来代替焊接和铆钉。

单组分系统经过预催化，仅需轻微加热即可固化，从而提高效率并降低因空气滞留而导致错误的风险。单组分系统的固化时间比双组分系统的固化时间短。催化在环境温度下发生，在双组分环氧系统中可通过加热来增强催化作用。加热可刺激进一步交联，从而获得更好的性能。

大多数表面都可以用双组分溶液粘合。由于它们能够长时间承受恒定的重量或力，并且具有抗物理和化学作用的能力，因此它们非常稳定。双组分环氧树脂非常稳定，因为它们能够长时间承受恒定的重量或应变，并且具有出色的抗物理和化学作用能力。

它们具有极强的适应性，可用于各种行业的粘合、密封、涂层和封装，包括电子、医疗设备和航空航天等。阻燃、低温、快速固化、耐高温等都是特殊配方的特点。

选择环氧胶粘剂时的注意事项

选择环氧胶粘剂时需要考虑的一些因素包括：

粘合剂基材

• 需要什么作为粘合的基质？
• 金属？木材？塑料（哪种塑料）？
• 面积大点好还是小点好？
• 这些表面具有可比性还是有区别？

为获得最佳粘合效果，粘合剂必须彻底“润湿”要粘合的表面。当粘合剂“润湿”时，它会流动并覆盖表面，以增加粘合剂和粘合表面之间的接触面积和吸引力。

接头和负载配置

以下是创建粘合接头时要牢记的主要设计准则：

• 最大限度地提高剪切力，同时减少剥离和裂解。
• 应最大化压缩，同时应最小化拉伸。
• 接头的宽度比重叠的长度更重要。

服务条款

许多常见条件（如温度、湿度、化学液体和外部风化）都会影响粘合强度。候选粘合剂应在模拟使用条件下进行测试，即可能存在降解因素的情况下。

粘附性能

• 坚韧而柔韧的粘合剂在剥离、冲击和热冲击方面以及在具有不同热膨胀的表面上具有更出色的表现。
• 脆性硬性粘合剂的耐热性、耐化学性、抗拉强度和抗蠕变性均更佳。

申请方法

在分析粘合剂时，确保其不仅在性能方面有效，而且在生产方面也有效至关重要。将使用什么方法来应用该材料？它是单组分系统还是双组分系统？

尽早考虑分配、混合和应用概念可以从长远来看节省大量时间和金钱，并可防止生产延迟。

胶粘剂测试

最后，评估粘合剂归结为挑选一种（或几种）粘合剂并在应用中进行测试，然后再做出决定。有既定的测试来比较相对质量。如前所述，亲自取样和测试产品是无可替代的。

固化速度

为了获得特定应用的最佳粘合剂性能，首先要确定正确的固化时间表。以下是需要考虑的主要指导原则：

• 虽然一些环氧树脂、硅树脂和聚氨酯可以在室温下固化，但许多其他材料需要更高的温度才能开始化学固化反应。该应用是否可以承受高温？
• 当暴露在适当波长和强度的光线下时，紫外线会快速愈合。它们是单组分粘合剂，在玻璃或塑料可以将紫外线或可见光传输到粘合线的各种情况下效果良好。

包装类型

环氧树脂通常分两部分交付，称量后按使用时所需的量混合。这意味着用户可以延长粘合剂的保质期并避免浪费。

现在，许多药物都装在双筒药筒中，配有静态混合头，可以分配两种成分（以正确的混合比例预先混合），以提高便利性。这允许用户涂抹均匀、可重复的混合粘合剂。环氧树脂有时以冷冻预混形式提供，必须在使用前立即解冻。在电子行业，这种交付方式非常普遍。

阻燃和耐化学性

耐化学性和阻燃性都是重要的考虑因素。环氧树脂对各种物质的耐受性是其最重要的特性之一。许多这些化合物，包括酸、碱、有机溶剂、燃料、流体以及淡水和盐水，现在都适合暴露于恶劣的化学品和环境中。

一些环氧树脂还根据阻燃规格制造，例如那些必须遵守严格准则的应用（例如美国保险商实验室、全球安全认证等）。特种环氧树脂还可以延长恶劣环境下设备的使用寿命。

电导率和热导率

电子和机电组件通常使用粘合剂。在这些应用中，环氧树脂可用于粘合需要保持导电或导热性的材料。

例如，环氧树脂可以将散热器粘合到运行过程中会产生热量的电子组装部件上。为了促进散热，导热环氧树脂可以更有效地将热量传递到散热器。导电环氧树脂可用于连接需要电气连接以传输电信号或释放静电的组件。

利用这些粘合特性，设计和工艺工程师现在可以构建更可靠、性能更高的设备。

第 2 章：环氧胶粘剂的类别和类型

本章将讨论环氧胶粘剂的种类和类型。

环氧胶粘剂的种类

环氧胶粘剂有单组分和双组分胶粘剂系统，二者均可产生极强的连接效果，但在固化过程、最终质量和应用方面有所不同。

总体而言，双组分环氧树脂胶粘剂比单组分体系更耐用。

2K 环氧胶粘剂或 2 组分环氧胶粘剂

在使用之前，必须将 2K 环氧树脂胶粘剂的两种成分混合在一起。这些成分相互反应，使环氧胶粘剂固化。双组分环氧树脂胶粘剂的适应性更强，因为它们适用于所有细分市场。它们处理起来有点困难，因为必须将树脂和催化剂这两种成分混合在一起，工作寿命从几分钟到几个小时不等，具体取决于工业环氧胶粘剂的成分。

这些 2K 环氧树脂粘合剂在室温下固化，但根据配方，可以通过施加热量或外部能源（如紫外线辐射）来加速该过程。固化时间最长时，环氧树脂粘合剂的固化粘合力最强。

2K 环氧胶溶液具有可粘附几乎任何表面的优势，包括木材、金属、塑料、陶瓷和多种橡胶。它们还具有抗物理和化学冲击的能力，可承受 95 至 200°C（200 至 390℉）的温度。

单组分环氧胶粘剂

与 2K 环氧胶相比，单组分环氧树脂胶粘剂使用起来很简单，因为它们不需要混合。它们通常具有糊状稠度，非常适合用抹刀涂抹或挤出珠子。这些胶粘剂在 120°C 至 175°C 之间的高温下固化，具体取决于配方。

单组分热固化粘合剂系统可有效填充和密封缝隙，尤其是金属表面之间的缝隙。单组分环氧粘合剂也可用作热固化薄膜粘合剂。薄膜粘合剂最适合用于大面积粘合或层压用途。

这些薄膜用于航空航天领域的装配化合物。单组分环氧树脂粘合剂也常用作建筑环氧粘合剂，可用于安装瓷砖。

环氧胶粘剂的类型

各种类型的环氧胶粘剂包括：

DGEBA 环氧树脂

DGEBA 环氧树脂，即双酚 A (BPA) 的二缩水甘油醚，是最早出现的环氧树脂，也是环氧胶粘剂配方中最重要的环氧树脂，这主要是因为其原材料成本低。此外，这种树脂与多种催化剂兼容，可产生多种特性。

DGEBA 环氧基工业环氧胶粘剂溶液在常温或加热下固化。DGEBA 环氧树脂有多种形式，包括低分子量液体、高分子量半固体和固体以及溴化树脂。后者通常用于需要阻燃性的应用中。因此，溴化树脂通常用于电路板和其他需要阻燃性的应用中。

水性环氧胶粘剂

环氧树脂本质上是疏水性的，因此不能溶于水。无论如何，可以通过化学改性或乳化赋予环氧树脂水分散性。后者通常用于水性环氧粘合剂中的树脂，它是通过使用表面活性剂将水与树脂分离来实现的。粘合剂的机械和化学稳定性取决于所用的表面活性剂和所用的制造参数。

环氧丙烯酸树脂

两种环氧丙烯酸树脂可用于制造粘合剂：乙烯基酯和一种用于辐射固化的特定树脂。尽管这些树脂是环氧树脂，但它们的行为更像聚酯树脂。它们制作简单，在室温下快速固化，并且可以使用过氧化物固化。

与传统的 DEGBA 环氧树脂相比，这些环氧树脂的粘度更低、柔韧性更高，并且在粘合剂中的润湿性更好。它们固化时收缩的程度确实比任何其他环氧粘合剂都要大。来自外部能源（例如紫外线 (UV) 或电子束）的辐射也可以固化环氧丙烯酸酯树脂 (EB)。环氧树脂粘合剂的粘度和蒸气压通常较低。

柔性环氧树脂胶

环氧胶水和粘合剂并不以特别柔韧而闻名。另一方面，长链脂肪族环氧树脂可使环氧粘合剂更加柔韧。尽管如此，使用这种柔性环氧树脂会降低胶水的硬度。因此，柔性环氧树脂通常作为改性剂与其他环氧树脂混合，以形成更坚韧、更坚固但仍然柔韧的解决方案。当树脂的 10-30% 为脂肪族环氧树脂时，可以达到所需的柔韧性水平，而不会显著影响其他品质。这些是最有效的柔性环氧粘合剂方法。柔性环氧树脂粘合剂用于层压安全玻璃、吸收振动和声音以及封装电气元件和其他需要温度循环的精密元件等应用。

环氧酚醛胶粘剂

环氧酚醛胶粘剂是化学和耐热性最强的环氧树脂，众所周知。它们还比 BPA 环氧树脂更能粘附在表面上。环氧酚醛胶粘剂必须在高温下固化才能充分获得这些特性。在室温下固化时可达到的特性与 DGEBA 环氧胶粘剂相似。固化周期的长度会影响固化粘合的热稳定性。

由于粘度高，环氧酚醛树脂通常难以制造。为了使加工更容易，最近出现了低粘度替代品。另一方面，这些产品的环氧树脂含量较低。无论如何，环氧酚醛树脂几乎完全由 2K 环氧胶制成。

室温固化环氧胶粘剂

室温固化的环氧胶粘剂通常以双组分包装制造和供应，环氧树脂组分位于一个树脂部分，固化剂位于另一个硬化剂部分。当这两种成分混合在一起时，环氧树脂在室温下与固化剂快速反应，形成交联的强热固性结构，可以紧密地粘附粘合基材。可以使用几种类型的固化化学品来定制适用期和固化时间。

常温干燥环氧胶粘剂

由于硫醇化合物在少量基本化学品（如叔胺或咪唑）作为促进剂的情况下与环氧树脂的反应非常快，因此通常用作室温快速固化环氧胶粘剂的固化剂。通过聚合加成反应机理，环氧树脂与硫醇基团发生等量反应。在室温下，固化时间可以短至 30 分钟，长至 15 分钟。处理完成需要 24 小时。由于其工作寿命有限，仅为 10 分钟或甚至 5 分钟，因此必须采取预防措施。

室温固化环氧胶粘剂

在环氧树脂技术中，脂肪族多胺是最常用的固化剂。固化剂供应商已经将多种改性多胺型固化剂商业化，并调整了固化性、处理性或其他物理特性，以方便使用。一级胺和二级胺的活性氢以相同的方式通过加聚机理与环氧化物结合。使用合适的固化剂组合可以改变固定时间和工作寿命。

在阳光下固化的环氧胶粘剂

UV 固化环氧胶粘剂固化速度快，已成功应用于各种新型电子组装和一般粘合应用，如图像传感器模块组装、显示面板和模块组装，以及其他需要高粘合性能和快速生产速度的应用。近年来，已推出了多种 UV 阳离子环氧胶粘剂和 UV 丙烯酸酯混合热固化环氧胶粘剂。

与典型的紫外线丙烯酸酯粘合剂相比，紫外线固化环氧粘合剂没有氧抑制问题、固化收缩减少、粘合性提高。

UV阳离子环氧胶粘剂

UV阳离子环氧胶粘剂的主要成分是环氧树脂和阳离子光引发剂。由于环脂族型环氧树脂比传统的双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂具有更快的阳离子聚合速度，因此在UV阳离子环氧胶粘剂中普遍使用。UV环氧胶粘剂中的阳离子光引发剂吸收紫外光产生强酸，强酸与环氧发生反应产生阳离子，从而诱导环氧树脂均聚。

由于其环氧结构，UV阳离子环氧胶粘剂的固化收缩率比传统的丙烯酸酯基UV胶粘剂要低，而且由于其通过阳离子聚合进行固化，因此不存在因氧抑制自由基聚合而引起的表面固化问题。

另一方面，UV 阳离子环氧胶粘剂不适合粘合终止阳离子聚合的碱性基材。UV 阳离子环氧胶粘剂需要更多时间才能固化。在实践中，通常在紫外线照射后对 UV 阳离子环氧胶粘剂进行后热固化，以确保完全固化和令人满意的粘合性能。

紫外线混合环氧胶粘剂

丙烯酸酯组合物是最常用的紫外线固化粘合剂。丙烯酸酯基紫外线固化粘合剂的基本成分是丙烯酸酯单体、丙烯酸酯低聚物和自由基光引发剂。基于丙烯酸酯的紫外线固化粘合剂可在几秒钟内立即固化。表面固化问题、阴影固化问题、过度固化收缩和较差的湿度可靠性都是紫外线固化丙烯酸酯粘合剂的缺点。

二十多年来，紫外和热固化混合环氧胶粘剂一直通过结合紫外丙烯酸酯和热固化环氧组合物来生产和商业化。紫外和热固化混合胶粘剂通常由丙烯酸单体、环氧树脂、光引发剂和环氧固化剂组成。紫外混合环氧胶粘剂将紫外丙烯酸酯百分比和热固化环氧部分的优点结合在一个产品中。与标准紫外丙烯酸酯胶粘剂相比，引入环氧组合物可以显著提高粘合可靠性。

同时，紫外固化时间由热固化环氧胶的几十分钟缩短至数秒，大大提高生产效率；由于自由基固化丙烯酸酯组合物浓度的降低，丙烯酸酯紫外胶的表面固化问题、阴影固化问题、固化收缩问题可得到一定程度的改善。

在某些情况下，混合粘合剂配方中使用过氧化物等热引发剂，以确保未暴露于紫外线或位于紫外线无法到达的阴影区域的丙烯酸酯组合物的固化。

第 3 章：环氧胶粘剂的应用和优点

本章将讨论环氧胶粘剂的应用和优点。

环氧胶粘剂的应用

环氧胶粘剂的应用包括：

• 环氧树脂胶粘剂因其出色的耐化学性而常用于涉及刺激性化学品的应用中。化学品储存在采用环氧酚醛树脂配方的储罐和其他容器中。
• 汽车行业：环氧树脂的强度在汽车行业中也必不可少，由于重量明显较轻，粘合剂正越来越多地取代传统的紧固件和焊接连接。使用柔性环氧树脂粘合剂来抑制声音和振动也很常见。
• 航空航天：出于各种目的，航空航天领域使用环氧粘合剂作为单组分薄膜和 2K 环氧胶溶液。例如，环氧胶因其出色的强度和机械稳定性而用于粘合直升机旋翼叶片。
• 环氧树脂非常适合海洋应用，因为它们可以建立防水连接并且耐盐水。
• 环氧胶粘剂也用于建筑行业，例如用于修复地板和瓷砖。这种胶粘剂具有耐候性，适合户外使用。建筑环氧胶粘剂除了是工业胶粘剂外，还受到 DIY 爱好者的欢迎。

环氧胶粘剂的优点

环氧胶粘剂的优点包括：

• 机械性能优良，环氧树脂粘结性强，化学结构致密。
• 优异的粘合效果。
• 固化体积收缩极小，由于线膨胀系数极小，所以内部张力也小。
• 工艺精湛。固化过程中几乎不形成任何低分子量挥发物。
• 电气性能优异。
• 稳定性极佳。不含盐和碱等污染物，并且不会随着时间的推移而变质。
• 耐热性一般。

双组分胶粘剂相对于单组分胶粘剂的优势

• 温度粘合：由于双组分环氧树脂可以在环境温度下固化，因此在使用时不一定需要加热。根据固化过程，达到操作强度可能需要五分钟到八小时。为了加速树脂和硬化剂之间的反应，可以使用化学催化剂或加热。
• 非常适合工业：如果工业使用粘合剂，那么它可能至少使用过一次双组分环氧树脂。双组分环氧树脂因其强度和多功能性而用于船舶、汽车、航空航天、航空、铁路、家电、电子、电气、管道、暖通空调、制造和建筑等行业的组装、应用和维修。
• 适应各种环境：由于双组分环氧树脂可以耐油、耐湿甚至耐各种溶剂，因此非常适合用于各种应用。实际上，它们是为高压力应用而设计的，涉及剧烈的温度变化、剧烈的振动和机械冲击。
• 抗剪切和抗拉强度：双组分环氧树脂具有高剪切强度，这意味着它们可以承受试图诱导粘合剂内部结构滑动的外力。它们还具有高抗拉强度，即在拉伸或拉扯时抵抗断裂的能力。
• 不浪费基材：装配工可以使用双组分环氧树脂将几乎任何东西粘合到几乎任何其他东西上。完全固化后，双组分粘合过程会引起强烈的化学反应，使双组分环氧树脂有效地成为一种与模制塑料一样坚固的新材料。由于其出色的粘合强度，它从单组分同类产品中脱颖而出。除了未经处理的塑料和弹性体外，双组分环氧树脂还可以连接橡胶、金属、木材、玻璃、塑料、砖石和几乎任何其他基材，因为它们有多种形式，并且可以轻松调整。
• 形式和用途：有液体、糊状、半固化膜和固体双组分环氧树脂可供选择。除了是强力粘合剂之外，双组分环氧树脂还适合填充缝隙、提供出色的电气绝缘性，并且具有较高的化学惰性，这意味着它们在暴露于各种物质时不会发生不良反应。
• 二维强度：双组分环氧树脂对各种基材的粘合强度已得到广泛认可。其双组分体系的化学性质有助于提高这种强度。耐受一系列变化的能力是强度的另一个来源。双组分环氧树脂需要混合树脂和硬化剂才能粘合。聚合，即将单体分子连接在一起形成聚合物链的化学反应，由硬化剂引发，从而导致固化。由于这种粘合反应，双组分环氧树脂比单组分环氧树脂更坚固。
• 持续改进：使用颜料、填料和其他树脂来改进双组分环氧树脂，以改变其粘度、粘合强度、柔韧性和各种其他品质，这也许是其最突出的特性。我们想从这一优势开始说，因为对于双组分环氧树脂来说，这是一份持续不断的礼物。双组分环氧树脂具有许多优势，由于其能够应对如此多的调整，因此可以应用于各种场景。

环氧胶粘剂的缺点

环氧胶粘剂的缺点包括：

• 如果不进行调整，它可能会很脆。
• 热稳定性在185-200°C之间
• 使用的成分可能存在危险
• 如果不进行改性，固化的环氧树脂可能会很脆。
• 双组分环氧树脂的正确固化需要精确的混合比。
• 治愈时间很长。

结论

环氧胶粘剂对各种表面具有出色的粘合性，是最常用的结构胶粘剂。环氧胶粘剂可以在室温、高温或通过紫外线辐射固化，具体取决于所用固化剂的类型。许多环氧胶粘剂（无论是单组分还是双组分）已经上市并广泛应用于各种工业生产和应用中，用于粘合金属、混凝土、玻璃、陶瓷、混凝土、许多塑料、木材和其他材料。