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根据应用要求选择胶粘剂及表面处理
添加时间:2017.09.25

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运输下业是一个迅速发展的工业,在运输工业中胶粘剂粘接技术发挥着日益重要的作用。胶粘剂粘接在运输工业中用以代替焊接、铆接以及机械固定和活塞结合连接的原因是:

 

空气动力学,以及美学、设计和燃料消耗方面的原因

 

・使用的新型材料,如复合材料,则无法进行焊接和铆接

 

・减轻重量,减少燃料消耗

 

・减少腐蚀或泄漏的可能性

 

在某些公司粘接是一种代表技术发展水平的技术,但在大多数公司这项技术却被认为有些奇怪。如果不了解或不懂得使用,人们就不会选择或使用胶接技术。而那些使用胶粘剂连接部件的公司如果没有正确运用这项技术,也会面临各自的问题和麻烦。只有应用得当并进行认真的操作,胶接才能作为主要的连接技术。

 

还有很多公司愿意进行钻孔铆接而不是在无损表面上进行胶粘剂粘接。胶粘剂粘接可减小腐蚀和泄漏的危险,并由于均匀传递应力而增强了刚性。另外,若限制重叠部分的几何形状(更少的搭接)或采用更薄的被粘物,那么还可减轻重量。

 

本文将重点介绍胶粘剂在运输业(货物运输)中的应用。包括许多公司,他们生产公共汽车、长途汽车、卡车、拖车、火车、汽艇和房车(野营车和大篷车)。此外还包括一些货物的供应商和制造商,如顶棚系统的生产以及衍生产品的应用,如滑冰鞋。本文还将给出一些实际生活中应用胶粘剂特例。结合这些实例来讨沦两大类胶粘剂的普遍性质。

 

适宜用作结构连接的胶粘剂

 

胶粘剂的范围之广是本文无法全部概括的。有许多文献介绍了胶粘剂的化学性质及其特性。这里将重点介绍商业中的应用,并为便于讨论将胶粘剂大致分为两类:

 

1.所谓的刚性胶粘剂(如环氧体系(单、双组分),聚氨酯(双组分)和丙烯酸酯(双组分)。这些产品在室温应用中多为双组分体系。而单组分体系,特别是环氧类(液体和膜)需加热才能获得最终性能,其单搭接剪切强度(ASTM D 1002)一般在2040MPa

 

2.弹性胶粘剂(如聚氨酯PU和甲硅烷基改性聚合物(MS聚合物和SPU))在多数应用中为室温单组分潮湿固化产品。而双组分的混合比为11150(增强技术)。单搭接剪切强度(AS***** 100)一般为15MPa

 

结构胶粘剂的选择在很大程度上受组装车辆的影响。这里的结构胶粘剂是与那些将分离的部件组装在一起的工作相联系的。如果完全使用其它连接技术,则只是在胶粘剂的固化过程中使各部件连接在一起的工作。各类胶粘剂的适用期是受产品配方的影响。一个典型的应用实例就是夹心板的生产。不同公司需要不同的适用期,而加压时间取决于所制面板的尺寸和数量。采用双组分聚氨酯的适用期在数分钟至6小时,而夹板时间为1分钟(在夹具中)12小时(真空加压)

 

初始强度和后固化速度是很重要的参数,它们在生产中影响着夹板时间,而在汽车的售后服务(挡风屏的修复)中影响着安全驾驶时间。在弹性胶粘剂中,可通过设计产品配方来满足需要,即可以使产品的流变性在高剪切速率下呈现“低”粘度,而在低剪切速率下呈现“高”粘度(抗流淌性),这样可以使胶接接头具有很高的初始强度。

 

表面预处理

 

此课题已有包括笔者在内的很多人进行了大量细致的工作[1]。本文的目的不是讨沦所有可行的预处理,而是从用户的角度探讨在某一应用中,何时,为什么,及如何选用预处理,以及胶粘剂的选择对预处理方法的影响。

 

如果为某一应用必须选择表面预处理,这个选择主要取决于胶粘剂的选择。一个典型的例子是宇航工业中使用的环氧膜胶粘剂。这类胶粘剂的剪切强度很容易就可达到40MPa,这意味着在允分利用胶粘剂强度的情况下,基质、氧化层和底剂层的强度也可至少达到40MPa。通常进行的铝的阳极化不仅因为防腐需要,而且是从总体的接头强度考虑。如果某一应用中的最佳选择是弹性胶粘剂,那么氧化层和底剂层的强度可能会较低,这可能是由于使用了便宜的的表面预处理。

 

刚性和弹性胶粘剂的使用实例

 

滑冰鞋

 

将前面所讨沦的内容结合在一个简中的应用中的实例就是如图所示的荷兰生产的滑冰鞋。在冬季的荷兰,滑冰是一项最受欢迎的运动。一般冰鞋的冰刀是焊接结构的。只要选择相对较便宜的钢,就可以进行焊接,虽然对生产者来说,可能形成的刀面的轻微弯曲会提高成本(安装刮刀和昂贵的夹具)。但若冰鞋是由轻质材料制成,就会出现问题。在这项应用中是挤压铝制品与新型钢制冰刀(在高压下将粉末压制成型)相结合。

 

除了减轻重量,也有增强(抗扭)刚度的目的。基本上硬度越大,滑冰性能越好,可使滑行速度提高。由于有接触腐蚀和不同热扩散速度下冰刀弯曲的可能性,胶粘剂是这类特殊材料唯一可能的连接技术。目前最新的技术是采用室温固化的胶粘剂,由于对硬度的需要,所以采用双组分环氧体系。

 

钢制冰刀必须连接在铝制挤压件上,其实这是不适宜用胶粘剂的,因为胶粘剂是被压入内部,则无法看到接头是否由胶粘剂全部充满而避免腐蚀。另外需考虑胶粘剂的粘度问题,粘度过低,胶粘剂会从铝制挤压件中流出,但粘度过高则冰刀无法压入铝制挤压件中。

 

最后讨论两种金属的表面预处理。这主要取决于胶粘剂结构的耐久性,尤其在这项应用中环境载荷很高(接触水和冰,温度低)。第一双粘接的冰鞋的问题出现在冰刀的尖端/挤压件的接头处(载荷最高),这引出了一种新的预处理/保护工序,它是成熟的飞机粘接应用和协同生产工序相结合的技术。在生产冰鞋时必须进行此处理。首先将铝在碱浴中清洗,然后在铬酸/硫酸中蚀刻,再进行底涂(底剂含铬酸,120℃固化1小时,采用喷涂)这可使所选用的胶粘剂及粉状涂料很好的结合,可用于铝制挤压件的外部。冰刀在进行最终组装前已磨光,预处理是将前面提到的底剂浸涂在冰刀要粘合的一面上。

 

通过上述方法,公司可以在批量生产中预处理冰刀和铝制挤压件,而且在需要时可贮存数月而不出现问题。一旦有特定的尺寸的订单,如11号,只需用乙醇清洗冰刀和挤压件就可直接进行粘接。

 

在实际使用中,这项粘接应用在8年后也不会出现任何问题。

 

顶棚系统的应用

 

此应用涉及将玻璃板粘接到有KTL涂层的钢结构上。目前为止仍使用一种非常坚硬/刚性的双组分丙烯酸酯产品。这个粘接体系面临的问题是冲击强度不能满足汽车用户的需要。由于整个体系刚硬,造成在冲击试验中过早失效。对很多可选择的技术进行了评估,如弹性体系中以双组分SMM和双组分PU为基础的产品。

 

例如,这项课题的边界条件为:

 

・可耐120℃的高温2小时,而不会由于热扩散速率不同而在接头处形成应力而发生层离

 

・胶粘剂体系在5分钟内达到操作强度

 

・胶粘剂可粘附在边沿有陶瓷涂层的玻璃上以及有KTL涂层的钢板上

 

所选择的胶粘剂均可满足以上边界条件。弹性体系可以毫无问题的满足冲击需求,但在高驾驶速度测试下(240kmh),胶接接头出现很大形变,导致汽车内的噪音水平增加。刚性双组分PU可通过驾驶测试,虽然冲击行为比现有体系略有改善,但仍不够好。

 

基于以上测试结果,为了满足所有需要,应对结构(框架)进行改进。

 

在拖车上的应用

 

“封闭的”拖车中可发现许多胶粘剂粘接的应用,一个重要的应用就是生产夹心板。夹心板应该有很好的刚性,因为拖车车厢的结构内部缺少框架结构。对生产者而言,多选用以双组分PU为基础的产品将GRP、夹板或铝粘接在泡沫塑料上或进行两者之间的粘接。有些面板的生产仍采用双组分环氧体系。这些实例集中在将这些面板与角型材连接起来的应用上,该应用常采用的几种材料为:

 

GRP(玻璃增强聚酯)挤压件

 

・铝制挤压件

 

・钢制挤压件

 

这些型面采用不同的几何形状。粘接这类型面最好在设计中含距离定位附件,这样可使接头的胶层厚度最小。过去对于两种材料的粘接多采用双组分PU产品,如将L形型面粘接在拖车转角处。虽已取得了许多成功的应用,但仍会出现失效。经调查发现在双组分PU胶粘剂将铝制型面粘接在GRP板上时,会出现失效。GRP和铝的热膨胀的差异是很关键的,这会造成在较高温度时产生高应力。而拖车的颜色(如黑色)甚至可能增加胶层的负载。与这些材料结合的胶层较薄是所出现问题的主要原因。由于双组分PU胶粘剂已由弹性胶粘剂代替,在必须粘接铝型面时就不会出现上述问题。SMP为基础的胶粘剂已用于如图所示的拖车中,此应用额外的优点是获得耐久的粘接只需一步表面预处理。

 

在公共汽车上的应用

 

在公共汽车上也可发现很多需要弹性或刚性胶粘剂的应用,本例将集中在将侧壁面板粘接在钢制结构的应用中。对于出产者而言,在这一应用中通常会选择很多种材料。

 

以下列举几种可用的材料:

 

・玻璃增强聚酯(GRP)

 

・无涂层钢

 

・无线圈缠绕的钢

 

・不锈钢

 

 

弹性和刚性胶粘剂都可用于粘接面板。如果金属板有焊接或铆接固定时产生的预应力,就只能用刚性胶粘剂。如果面板是无应力连接,也可使用刚性胶粘剂将面板附着在框架上,但随着温度的升高,出现的问题是:由于使用刚性胶粘剂,面板不能移动,会造成表曲弯曲。框架后的面板在公共汽车外应是可见的,如果选用合适的接头几何尺寸,使用弹性胶粘剂即可满足要求,这意味着重叠部分和胶粘剂的厚度要适当。弹性胶粘剂的薄层也可形成刚性接头,这可使获得弹性粘接时胶层达到最薄。

 

对于GRP,只有弹性胶粘剂可用于这项应用。

 

结论

 

胶粘剂体系的选择主要取决于产品的生产和接头的最终应用。只要谨慎使用胶接技术,胶粘接可应用在运输行业的各项应用中。这意味着从生产计划的初期就应涉及到胶粘剂生产者,而且胶粘剂也不应被看作仅是沟缝的填料。

 

在许多实例中会由于购买原因会改变了材料,随后需要昂贵的底剂来获得与原来材料相同的粘接水平。最终的结果甚全可能会由于改变材料供应而增加了整个体系的成本。

 

最后需要指出的是应尽可能地限制预处理的数量,因为每一个额外的步骤都会增加错误和问题出现的可能性。