结构胶粘剂：如何选择和使用

以下是工程师在做出设计决策之前应了解的结构胶粘剂。

结构胶粘剂可以连接部件，而不会干扰或减损其表面处理或美观性，例如焊接或机械紧固件。

选择结构胶粘剂进行各种装配操作的原因有很多。与机械紧固件不同，它们不会因需要钻孔而损坏基材，并且没有热变形（焊接风险）。它们还可以连接不同的材料而不会产生电偶腐蚀，使用不同的几何形状，并且不会将应力集中在几个局部点，从而提高抗疲劳性。在连接过程之后，结构胶粘剂不需要修补步骤或留下突起，因此它们在美学上更令人愉悦。

与其他类型的胶粘剂相比，结构胶粘剂具有最高的承载能力;具有出色的耐环境和耐化学性，无需处理溶剂排放;并具有一系列固化时间和特性。它们在不可逆的过程中固化，有助于提供出色的耐温性和耐溶剂性。它们也不需要空气来干燥或固化，也不需要像单组分硅胶和聚氨酯密封胶那样需要湿气。

事实上，结构胶粘剂具有如此广泛的特性，以至于工程师可能难以选择使用哪种结构胶粘剂。然而，与其他胶粘剂相比，结构胶粘剂的使用不太直观，其性能受到加工决策的广泛影响。以下是有关选择结构胶粘剂以及如何处理加工决策的一些提示。

胶粘剂的承载能力（强度）差异很大，环氧树脂胶粘剂通常是最强的。

选择结构胶粘剂

与供应商的技术工程师或外部顾问交谈可以提供有关结构胶粘剂的见解。但是，在许多情况下，初步决定是在与他人交谈之前做出的，否则应用程序太敏感，无法与外部人员讨论。在这些情况下，选择结构胶粘剂有一些一般原则。

首先，应根据应用的性能和加工要求来选择结构胶粘剂。一旦了解了这些要求，下一步就是选择最经济地满足这些要求的胶粘剂。

以下是一些应考虑的申请要求：

运行条件

• 温度：多热还是多冷？
• 湿度：关节会暴露在雨水或盐水中吗？
• 紫外线照射：接头会暴露在阳光下吗，紫外线辐射能否穿透基材并到达胶粘剂？

耐化学性

• 哪些流体（如机油、汽油、柴油液和喷气燃料）会与接头接触？
• 会经常用清洁剂（弱酸和弱碱）清洁接头吗？
• 是否有任何特殊化学物质会与关节接触？接触是持续的（例如在过滤器中）还是只是偶尔的？

清洁和环境问题

• 是否有任何关于毒性或处置的法规？胶粘剂会用于食品包装还是医疗器械？
• 被粘合的部件是否像电子元件和光学元件一样对脱气、离子或腐蚀敏感？

机械挑战

• 粘合部件是否会受到高冲击力或振动力？
• 粘合层上的应力有多高？它们有哪些类型？

对这些问题的一般回答将有助于确定应该考虑哪种类型的结构胶粘剂。具体答案将有助于关注应根据制造商的数据表和应用测试结果选择哪些特定产品。

无论如何选择结构胶粘剂，在做出任何最终决定之前都应该对其进行测试。

结构胶粘剂的类型

结构胶粘剂按其化学成分分类，在室温测试中粘接金属时，重叠剪切强度通常超过1,000 psi。虽然存在混合材料，但结构胶粘剂最常见的是基于环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯或氰基丙烯酸酯的化学成分。

每种胶粘剂类型都可以在一定程度上进行定制。例如，添加增稠剂会增加粘度，而添加稀释剂会降低粘度。可以添加增韧剂以提高抗疲劳性。但是，可以根据每种胶粘剂的化学性质固有的一般特性对胶粘剂类型进行粗略比较。尽管如此，工程师仍应仔细检查他们感兴趣的胶粘剂的特定特性。

丙烯酸树脂在塑料上提供最高的粘合强度，并且还可以与金属（包括许多油性金属）提供良好的粘合。然而，与环氧树脂相比，它们的抗振动/抗冲击性往往较低，因此在极端温度下的抗疲劳性和性能较低。

氰基丙烯酸酯在许多塑料和橡胶上具有良好的剪切强度，尽管可能需要底漆，但质地坚硬，抗剥离和抗冲击性低。

聚氨酯非常柔韧，但通常强度较低，尤其是在较高温度下。它们与塑料、木材和金属粘接良好，通常比其他类型的结构胶粘剂价格低。

环氧树脂具有最广泛的特性，并且在金属上具有最佳的整体粘合强度。标准的5分钟刚性环氧树脂往往很脆，最适合应力相对较低且无冲击的应用。柔性环氧树脂具有更高的剥离强度，可以更好地承受冲击，是可能需要一些弯曲和弯曲的零件的不错选择。增韧环氧树脂包含可吸收冲击的弹性区域，因此它们具有最高的抗剪切性、抗剥离性、抗冲击性、抗振动性和抗疲劳性。这使得它们非常适合要求苛刻的应用。然而，一般来说，使用环氧树脂需要严格去除金属接头表面的油。此规则有一些例外，例如单组分热固化环氧树脂。

基于这些普遍性，希望将ABS粘合到不锈钢上的工程师可能会选择环氧树脂或丙烯酸树脂，以用于承受中等环境应力（例如工作温度为-20°F至150°F，但振动或影响很小）的部件。在标准中加入振动或冲击，选择将倾向于柔性或增韧环氧树脂或增韧丙烯酸树脂。

寻求将木材粘合到塑料上以供户外使用（如果天气变化可能导致基材显着移动）的工程师会考虑聚氨酯，因为它们具有柔韧性。如果需要更高的强度，柔性环氧树脂就可以达到目的。

将低表面能塑料（如HDPE）粘合到自身或其他塑料上需要特种丙烯酸树脂，以避免昂贵且耗时的表面改性程序。在某些情况下，可能不需要属性类别的最终强度或性能。这意味着工程师可能能够在性能与处理和加工能力之间进行权衡。

处理和加工注意事项

一旦根据性能标准缩小了胶粘剂的选择范围，处理和加工考虑因素就开始发挥作用。这些产品涵盖从储存条件和保质期到组装过程的便利性。

在讨论处理和加工注意事项时，有必要区分单组分和双组分环氧树脂，因为它们的处理和加工方式不同。单组分环氧树脂将固化剂和碱剂预先混合，因此无需测量和混合部件。但单组分环氧树脂确实存在更多涉及保质期的问题，例如过早老化和低温储存要求。它们还需要在250°至350°F下固化。因此，与双组分环氧树脂相比，单组分环氧树脂需要小心处理，但相对容易分配。此外，单组分环氧树脂通常对金属具有最高的剪切强度，并且对高温和耐溶剂具有最佳性能。

一些双组分环氧树脂，可以使用双胶筒分配器进行涂覆。它确保两部分以适当的比例混合和分配。

选择氰基丙烯酸酯通常是为了方便生产，因为它们不需要混合并且具有较长的适用期（它们可以在粘合前打开的时间）。但是，一旦使用氰基丙烯酸酯对接部件进行配合，它们就无法重新定位。这些确实是“瞬干胶”，会增加皮肤意外粘合的风险。而且它们有很强的气味。氰基丙烯酸酯还存在“开花”的风险，即在粘合线周围出现不美观的彩虹或白色雾霾。光晕实际上是挥发的单体在零件上冷凝。有一些氰基丙烯酸酯可以最大限度地减少起霜。

双组分环氧树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯在混合前在室温下保持稳定。对于双组分环氧树脂，室温储存时间最长，对于聚氨酯（对湿度敏感）和丙烯酸酯（对温度敏感）最短。

双组分结构胶粘剂在胶粘剂混合并配合待粘接的表面后需要一些时间才能开始固化。这允许定位，但也要求将部件固定在适当的位置，直到达到某种程度的固化。这段时间有几个术语，包括设定时间、固定时间、果岭强度和处理强度时间。胶粘剂制造商可能会对胶粘剂进行不同的定义，因此工程师应仔细阅读数据表以确定每种胶粘剂的特性。

通常，双组分胶粘剂可以散装供应，例如5加仑桶或55加仑桶，并与仪表/混合器一起使用。它们也可能包装在手动分配的墨盒中。这些胶筒具有并排的圆筒，尺寸适当，可提供正确的混合比，并与一次性静态混合喷嘴配合使用，以确保正确混合。还提供各种手持式涂抹器。双组分胶粘剂也可以装在小罐或小管中，需要手动测量和混合。

通过化学反应固化的胶粘剂，包括所有双组分胶粘剂，其固化时间与温度有关。它们在温暖的温度下固化得更快，但它们的适用期、开放时间和处理强度时间也会更短。在较冷的温度下，固化速度较慢，时间较长。因此，在非温度受控环境中使用胶粘剂时，设计人员必须考虑使用环境与制造商通常使用的70°至75°F的标准“室温”之间的温差，以报告适用期和处理强度的时间。

根据粗略的经验法则，如果在炎热的夏日在户外使用胶粘剂，则开放时间可能只有数据表上报告的一半，而在凉爽的春季或秋季，气温在50度出头，这些时间可能会增加一倍。粗略估计表明，对于温度升高10°C的固化环境，胶粘剂的开放时间只有原来的一半。相反，对于10°C的低温环境，开放时间将增加一倍。因此，在炎热的天气里可能需要格外小心才能快速完成粘合步骤，或者在凉爽的环境中可能需要额外的固定时间。

由此推论，双组分结构胶粘剂可以通过加热来故意加快固化时间。选项通常包括烘箱和辐射热源。来自制造商的数据表和其他信息可以帮助工程师确定可能的固化时间表。

除了固化时间不同之外，胶粘剂在较温暖的环境中也往往会变薄，而在较冷的环境中也会变稠。一般来说，对于双组分胶粘剂，建议应用温度为60°F至80°F，最低应用温度约为40°F。

一般来说，双组分环氧树脂和聚氨酯的粘度范围最广，其中产品可以从稀浆到重浆料。非流挂胶粘剂可以配制成剪切稀化胶粘剂，这使得它们相对容易点胶，但在点胶后不会流淌或下垂。

虽然结构胶粘剂通常不含溶剂，但它们可能含有挥发性有机化学成分或其他可能散发出气味或导致皮肤或呼吸道刺激的成分。用户应注意在使用任何胶粘剂之前查看安全数据表。

在选择要筛选的胶粘剂时，首先要考虑最终用户的要求。接下来，阅读各种类型并咨询胶粘剂供应商。最后，考虑流程要求以消除大多数选择。这将使相对较小的胶粘剂具有良好的性能和加工特性。

但是，对于最终选择，请进行测试和验证。通常，进行某种类型的剥离测试和重叠剪切测试以确定胶粘剂在特定基材上或特定环境条件下的强度。测试的确切细节应基于特定项目。不要仅仅依赖制造商技术数据表中的信息。优秀的胶粘剂供应商愿意与用户合作，共同制定和协助做出这些决定，包括进行某种类型的材料测试。

然而，如果粘合表面没有得到适当的准备或接头设计不佳，那么最精心选择的胶粘剂在应用中可能效果不佳。这是工程师与胶粘剂供应商进行早期讨论后受益的另一个领域。