当前位置:首页>投稿专栏>甲基丙烯酸酯、聚氨酯和环氧树脂粘合剂的选择指南

甲基丙烯酸酯、聚氨酯和环氧树脂粘合剂的选择指南

释放双眼,带上耳机,听听看~!
粘合剂选择复杂性的实践检验。

复合材料和粘合剂是相互制造的。通过适当的设计和材料选择以及良好的装配实践,粘合接头可以比机械紧固接头更坚固、更耐疲劳。粘合剂层的重量比螺栓和铆钉轻,并且无需钻孔(这会削弱结构并可能允许水分进入)和安装紧固件,可以显着节省劳动力并提高生产率。

复合材料粘合中使用的粘合剂主要分为三大类:聚氨酯、环氧树脂和甲基丙烯酸酯。虽然每种类型都具有推荐用于某些应用的一般属性,但没有一种类型适用于所有应用。此外,基于许多性能相关和实际考虑,每种类型的粘合剂配方可能会有很大差异。选择粘合剂的关键是找到最能体现所需性能特性和加工参数平衡的配方。

在绝大多数情况下,一般性能目标是粘合接头比粘合在一起的零件更牢固。然而,在极少数情况下,结合力会故意变弱,以使接头首先失效,从而防止损坏昂贵的结构。在所有情况下,粘合接头必须能够承受所有预期的使用负载和环境条件,这些条件可能会有很大差异。

出于这个原因,结合强度可以通过多种方式定义,具体取决于在使用中施加到接头的力。粘合剂可能需要良好的搭接剪切强度或剥离强度或两者兼有。搭接剪切强度是指在平行于粘合线施加力时保持粘合的能力,而剥离强度是指在垂直于粘合线施加拉力时粘合的能力。

粘合剂还可以在延长粘合复合材料部件的使用寿命方面发挥重要作用。在适当设计的粘合接头中,延展性粘合剂(具有高断裂伸长率的粘合剂)吸收冲击载荷,保护相邻结构免受疲劳。由于所有粘合剂都会在低温下硬化并在高温下软化,因此必须选择在其使用温度范围内具有足够延展性的粘合剂。

复合材料应用还可能需要与粘附力无关的性能特征。例如,在受火焰/烟雾/毒性管制的运输应用中或在腐蚀性环境中,粘合剂的可燃性和/或腐蚀性成为重要因素。

除了粘合性能之外,还有许多实际考虑因素会影响粘合剂的选择:

  • 混合方法。一些两部分系统可以通过简单的搅拌在桶中廉价地混合,而其他系统有时需要昂贵的计量/混合/分配设备。
  • 表面处理。一些粘合剂需要特殊的零件清洁和/或表面处理以确保良好的粘合性,而其他粘合剂则更具腐蚀性,包含溶解污染物和/或蚀刻表面的溶剂或其他成分。
  • 锅或工作生活。这是混合后粘合剂仍能充分润湿基材的时间量。对于小面积应用,几分钟的适用期可能是可以接受的。对于大面积应用,适用期可能必须延长至数小时。
  • 固化方法。两部分粘合剂(树脂和催化剂)在混合后开始反应和硬化,而一部分材料是空气或热触发的。
  • 固定时间。这是在粘合剂充分固化以允许开始下一个操作时夹紧零件组件所需的时间,这可能会造成生产瓶颈。许多粘合剂的固化周期可以通过热加速来缩短固定时间。
  • 是时候彻底治愈了。即使在接头强度足以开始下一个制造过程之后,也可能在很长一段时间内无法达到最佳粘合强度。产品通常不会交付给客户,除非它是满负荷的,这是调度的一个因素。
  • 健康和安全。某些粘合剂的化学成分可能要求技术人员佩戴手套和/或呼吸装置。当装配人员可以接受材料时,生产进行得更快。
  • 可修复性。一些应用要求粘合接头可分离以用于维修目的。可以选择在高于组件的使用温度范围但低于复合材料承受热损坏的温度时软化到足以破坏粘合的粘合剂。或者,高搭接剪切/低剥离粘合剂可能证明适用于某些应用。
  • 成本。每个完成组装的“总应用成本”包括原始粘合剂材料、应用所涉及的劳动力、可能需要的任何混合设备、组装夹具和固化炉(如果使用)以及总生产时间。必须对每种应用进行分析,以优化制造成本和产量,同时实现所需的粘合性能。

鉴于性能和实际考虑的范围,今天的粘合剂制造商在三大类别中的每一个都提供各种解决方案,并且愿意并且能够开发定制解决方案以满足特定客户的要求。

柔性聚氨酯

聚氨酯粘合剂的基本化学可以追溯到1960年代初期。它最显着的特点是几乎可以无级调节以满足特殊要求。氨基甲酸乙酯的使用范围很容易跨越汽车在-40°C和82°C(-40°F和180°F)之间运行的要求。由于氨基甲酸酯链固有的柔韧性,在环氧树脂和甲基丙烯酸酯可能变得太硬和太脆的低温下,它是首选的粘合剂。环氧树脂在室温下通常可以达到34.5 MPa/5000 psi和3%的伸长率,而氨基甲酸乙酯在20.7 MPa/3,000 psi的量级上具有75%的伸长率。聚氨酯主要用于粘合热固性复合材料,特别是玻璃纤维、一些热塑性塑料和金属与耐腐蚀涂层和油漆。

“聚氨酯聚合物具有广泛的配方灵活性窗口,”亚什兰特种化学品公司-特种聚合物和粘合剂部门的运输和产品组装组产品经理Keith Grover说。(美国俄亥俄州哥伦布市)。“我们可以轻松地改变加工特性(粘度、工作寿命、固定时间)和使用特性(强度、刚度)。通过改变主链分子上活性位点之间的距离,以及改变活性位点的数量,我们可以使所得粘合剂在其工作温度范围内非常柔软和可延展或非常坚硬-或介于两者之间的任何东西。聚氨酯的韧性是聚氨酯骨架分子所固有的,这意味着粘合剂性能不会随着时间的推移而降低。

“配方的灵活性几乎是无限的,尤其是随着原材料供应商推出越来越多的原材料版本,”格罗弗说。“聚氨酯基本上是100%反应性的,具有极低的VOC[挥发性有机化合物],几乎没有气味。”

聚氨酯胶粘剂的机械性能范围从在需要延展性的应用中使用的胶粘剂的300%伸长率(例如在挡风玻璃和金属车身之间提供负载缓冲粘合)到在强度和刚度更高的结构粘合应用中仅50%的伸长率是需要的。

聚氨酯对常见的化学物质具有很强的抵抗力,包括挡风玻璃液、气体、油和盐,使其在汽车工业中特别有用。在某些需要拆卸部件进行维修的应用中,可以配制聚氨酯粘合剂以实现高搭接剪切强度但低剥离强度。

在Martin Marietta Composites(美国北卡罗来纳州罗利市)的DuraSpan纤维增强复合材料桥面板(参见CT 2003年12月,第16页)的制造过程中,Ashland的Pliogrip 8000聚氨酯粘合剂被用于将桥面板组件组装成大型模块。拉挤复合材料部分在工厂粘合在一起,形成2.44米/8英尺(按桥梁宽度计)的面板,然后运至桥梁现场。聚氨酯的低粘度有助于通过使用简单的重力进料系统最大限度地减少浪费。当这两个部分在一次性静态混合器中混合时,它们开始反应,从而产生具有足够“主体”的珠子,以避免在垂直表面上下垂。用高延展性聚氨酯粘合大部分拉挤型材有助于延长桥面的使用寿命。

Martin Marietta Composites的复合结构经理Greg Solomon解释说,Pliogrip 8000预聚物可与6000种固化剂系列一起使用,以适应不同部件的不同组装时间,并且反应性也可以通过点胶设备上的温度控制来改变。这可以优化处理和固定时间,从而提高效率并降低键合成本。此外,Pliogrip系统使用重力计量/混合/分配设备,可加快应用速度并减少浪费。由Bandit Machine(美国俄亥俄州阿什兰)提供的分配设备是可移动的,只需稍加修改,即可与5加仑桶、55加仑桶或300加仑可回收手提袋一起使用。“Pliogrip系统表现出出色的搭接剪切力,

Pliogrip 8000多年测试计划的参与者包括陆军工程兵团、Martin Marietta Composites和几所大学。测试验证了在各种环境和循环载荷下的疲劳寿命,旨在模拟75到100年的使用。它在热冲击测试中也表现出色,其中82°C/180°F的材料突然陷入-40°C/-40°F环境。

环氧树脂

当需要高强度时,尤其是在高温和恶劣环境中,环氧树脂是首选的粘合剂。环氧树脂往往比聚氨酯或甲基丙烯酸酯更昂贵,但它们的性能证明在许多应用中的花费是合理的。

环氧树脂有薄膜和糊剂两种形式,在航空航天工业中很常见,用于复合材料的结构粘合(参见“Niche Adhesives Proliferate for Specialized Applications”,High Performance Composites,2004年1月,第22页)。膏状环氧树脂可以以单件或两件的形式购买,并且可以设计用于室温或热加速固化。工作或适用期可以从几分钟到几个小时不等,后者适用于大型装配。热固化薄膜环氧树脂在环境受控的铺层室中的使用寿命可达100天。

两部分糊状环氧树脂的混合通常很简单。可以将成分混合在杯子或桶中,并用棒或钻头上的搅拌桨搅拌(取决于要混合的量)。一部分是树脂,另一部分是催化剂。对于大型混合物,包装的大小可以将一包树脂(A部分)和一包催化剂(B部分)倒入混合桶中并进行搅拌。

正是这种混合和应用灵活性促使Martin Marietta Composites选择Magnolia Plastic(美国乔治亚州尚布利)的Magnabond 56 A/B来安装其预制的DuraSpan桥面。甲板系统旨在允许在一天内完全放置桥面。面板设计用于榫槽装配。在将初始面板放置在桥的一端后,将混合粘合剂抹到面板粘合表面上,并将每个连续面板的舌状物顶入先前放置的面板的凹槽中。“我们需要一种可以在一年中的任何时候在桥梁现场使用的粘合剂,温度范围为4°C至38°C[40°F至100°F],”Martin Marietta的所罗门说。“它需要在现场用最少的设备轻松混合,工作时间为一到两个小时。然后它需要快速固化,以尽量减少桥梁关闭重新甲板的时间。”

“虽然聚氨酯在工厂中用于制造面板很好,但相对较短的工作寿命(最多一小时)以及所需的混合和分配设备使其难以用于现场工作,”Solomon解释说。设备需要运到现场,如果设备发生故障,可能会延误桥梁的建设。“使用普通手钻和混合刀片,Magnabond 56很容易在相同的容器中按体积(A和B)等份混合(A和B),”Solomon说,并指出承包商可以自己混合和涂抹环氧树脂,而无需技术支持,因为粘合剂类似于通常用于修复混凝土的环氧树脂。这消除了运输分配设备和雇用训练有素的技术人员来操作它的成本。

“与大多数环氧树脂相比,Magnabond 56具有较高的失效伸长率,并且在实验室和现场都表现出出色的性能,”Solomon说。在测试中,粘合剂已在Martin Marietta的目标低温(4°C/40°F)下成功应用和固化,从而延长了安装窗口和施工季节。此外,它在平均温度下提供长达两个小时的工作时间,提供额外的时间来处理在准备、架设和顶起巨大面板到位时遇到的任何问题。该粘合剂不受沥青应用或混凝土浇注/固化过程中产生的热量的影响,并且在整个地表温度范围内都表现出良好的性能。

宏伟的甲基丙烯酸酯

甲基丙烯酸酯在1970年代作为一种增韧的新型粘合剂被引入。它们固化速度非常快,可在室温下使用。它们溶解大多数污染物,因此几乎不需要或不需要表面清洁——这对生产力有好处。ITW Plexus(美国马萨诸塞州丹弗斯)的Peter Carbutt说,近年来,甲基丙烯酸酯的配方已具备环氧树脂的强度,但延展性要大得多。高延展性可在预期重复冲击载荷的任何应用中提供出色的疲劳寿命,例如船只、风力涡轮机叶片和卡车底盘结构。

Cobalt Boats(Neodesha,Kan.,USA)使用ITW Plexus甲基丙烯酸酯。钴塑料工程师Steve Blaich解释说:“我们负担不起对车间人员进行广泛培训和质量监督的费用,因此为了尽量减少在错误应用中使用错误粘合剂的机会,我们需要能够与尽可能多的基材提供良好粘合的粘合剂。“我们在我们的商店中使用了数量有限的甲基丙烯酸酯,并取得了很好的成功。甲基丙烯酸酯还使我们能够从一个操作转到下一个操作,而无需在粘合前停下来清洁表面。”

尽管公司不断评估新产品,但Cobalt使用成熟的MA555产品将玻璃纤维纵梁粘合到玻璃纤维船体中。使用由GS Manufacturing(美国加利福尼亚州科斯塔梅萨)提供的“Big Willie”泵送系统,将淡蓝色MA555粘合剂以2.5厘米至3.8厘米(1英寸至1.5英寸)宽的方式涂在船体上。珠子的尺寸可以填充间隙,并且可以容忍船体和纵梁之间的尺寸不匹配。MA555专门针对这种珠粒尺寸配制。Carbutt解释说,为所需的胶珠尺寸选择合适的粘合剂非常重要。每种粘合剂都有一个可以正常工作的范围,但如果胶珠大于设计范围,则放热固化反应将使粘合剂“沸腾”,导致不希望的空隙和不可接受的粘合层。

“为了提高性能,我们需要一种粘合剂,它既能提供出色的搭接剪切强度,又能提供疲劳寿命的延展性,”Blaich说。“这种产品为我们提供了我们需要的性能,但其应用成本远低于环氧树脂。”

在使用甲基丙烯酸酯将加强筋粘合到船体中之前,Cobalt使用了湿法叠层搭接工艺。更改为粘合设计而不是标签设计可为Cobalt节省每艘船约一小时的制造时间。

Cobalt使用其他ITW Plexus产品。MA320用于非结构应用。它的白色在外观上与船的设计融为一体。MA820用于玻璃纤维与铝的粘合,以在机械紧固件钻孔之前固定组件。它减少了机械紧固件的数量,因为它增加了强度,并且它在配方中加入了酸蚀刻以制备铝表面。

Reitnouer Trailers(美国宾夕法尼亚州雷丁)总裁Bud Reitnouer在过去七年中一直在开发一种粘合复合材料卡车底盘,目前正准备进行商业生产。“我的公司拥有42%的铝制平板拖车市场,”Reitnouer说。“七年前,我觉得我已经尽可能地使用铝,而将这个行业提升到一个新水平的唯一途径就是走向复合材料。”动机是州和联邦道路有负载限制,因此增加卡车有效载荷的唯一方法是减轻拖车的重量。

Reitnouer聘请了一位顾问来帮助他进行材料选择和设计,并且已经建造和测试了几个原型。“我们知道我们希望避免在复合材料中打孔,因为切割纤维会显着削弱它们,”Reitnouer说。“我们还知道,由于冲击载荷,我们需要一种非常有韧性的粘合剂。卡车可以承载20、30甚至高达40吨的载荷,当卡车撞到坑洼时,力是巨大的。”

该公司最初选择了两种ITW Plexus粘合剂:MA310高强度/中伸长粘合剂和AO420高伸/中强度粘合剂。原型平板的一半用MA310组装,另一半用AO420组装。在七年的测试中,双方都没有失败,但该公司确定,为了增加安全性,生产的粘合剂应同时具备高强度和高伸长率。两年前,ITW Plexus推出了MA822,其抗拉强度为MA310的85%至90%,伸长率为90%至110%,与AO420相当。Reitnouer将在他的生产卡车车厢上使用MA822,并指出即使是平板拖车金属部件的连接点也将被粘合或粘合/螺栓连接,从而显着减少紧固件的使用。例如,在行走机构支架与主梁连接处,复合材料卡车底盘使用的紧固件不到Reitnouers铝制平板车所需紧固件的一半。此外,粘合剂层还可以在不同材料之间提供屏障,以最大程度地减少电偶腐蚀,从而在金属与复合材料的接头中起到双重作用,从而节省了在金属上施加额外的耐腐蚀底漆的费用。

Reitnouer对技术支持特别满意。“ITW Plexus对我们进行了正确清洁、材料准备、粘合剂类型和温度控制方面的培训,”他说。“我们已经使用他们的程序七年了,从未发生过债券失败。”

超级小众粘合剂

有一些应用需要高度专业化的粘合剂,有时不需要太多。虽然许多公司将定制复合产品以满足特定需求,但Master Bond Inc.(美国新泽西州哈肯萨克)已将定制粘合剂复合提升到一个新的水平,将一些产品的生产量小至每年一品脱。

“我们为非常关键的特殊OEM类型应用提供利基产品,例如航空航天、医疗设备、光纤和光学中的小组件,有时产量有限,”Master Bond技术销售副总裁Robert Michaels说。“我们的客户可能会为小批量支付更多费用,因为对他们来说,拥有定制配方的特定特性非常重要。”

Michaels说:“我们的不同之处在于,我们的大多数竞争对手都减少了他们的产品线。我们是一家利基公司,没有削减。事实上,我们增加了产品线,因为我们定制了化合物。”

声明:本站所有文章资讯、展示的图片素材等内容均为注册用户上传(部分报媒/平媒内容转载自网络合作媒体),仅供学习参考。用户通过本站上传、发布的任何内容的知识产权归属用户或原始著作权人所有。如有侵犯您的权益,请联系我们反馈,本站将在三个工作日内改正。
0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
有新私信 私信列表
搜索