我國(guó)膠粘劑及膠接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

李翠翠，王延召，王延琴

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司理化計(jì)量中心，河南?鄭州?450000）

1950年左右，在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，膠粘劑還處于初步階段，直到1980年左右，生產(chǎn)的頂峰隨之出現(xiàn)，隨后進(jìn)入了突飛猛進(jìn)的高速發(fā)展時(shí)期。在亞太地區(qū)的，中國(guó)膠類產(chǎn)品的消費(fèi)量已經(jīng)占據(jù)了一大半的比例，在全球膠類產(chǎn)品的消費(fèi)量中，大約占30%，成為用膠大國(guó)。2005年我國(guó)膠粘劑產(chǎn)量為257.5萬(wàn)t，2015年產(chǎn)量上升為686.8萬(wàn)t。“十三五”期間，我國(guó)膠粘劑產(chǎn)量有望實(shí)現(xiàn)8%的年均增長(zhǎng)率，2020年末我國(guó)膠粘劑的總產(chǎn)量可達(dá)1034萬(wàn)t左右。

膠粘劑被譽(yù)為“工業(yè)味精”。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，膠粘劑正在不斷代替機(jī)械連接，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域中，應(yīng)用范圍越來(lái)越大，主要是針對(duì)生物醫(yī)療、汽車、制鞋、新能源、機(jī)械、高鐵、木材加工、紡織印染等高科技領(lǐng)域。在航空航天工業(yè)中，合成膠粘劑逐漸應(yīng)用在設(shè)備修復(fù)、結(jié)構(gòu)連接、密封等方面，能將多種復(fù)合材料零件連接成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。

1??膠粘劑的類型與功能

將相同的材料和不相同的材料連接起來(lái)的物質(zhì)，即為膠粘劑。膠粘劑由多種組分所組成，包括基料、固化劑或硫化劑、填充劑、增塑劑或增韌劑、偶聯(lián)劑、稀釋劑等。這些組分不僅保證膠粘劑基本的粘附作用，還能進(jìn)一步提高膠粘劑的韌性、耐水性、耐環(huán)境性能等。

1.1??膠粘劑類型

膠粘劑品種繁多，分類方法也不盡相同，通常有以下幾種分類方法。按應(yīng)用對(duì)象分為結(jié)構(gòu)型、非結(jié)構(gòu)型膠粘劑；按化學(xué)成分可以分為丙烯酸酯膠粘劑、環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑、三醛膠粘劑、聚醋酸乙烯膠粘劑、無(wú)機(jī)膠粘劑、改性酚醛膠粘劑、聚氨酯膠粘劑等；按形態(tài)可分為水溶型、水乳型、溶劑型以及各種固態(tài)型等；按應(yīng)用方法可分為室溫固化型、熱固型、壓敏型、熱熔型等。

1.2??膠粘劑的特性

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)各項(xiàng)法律規(guī)定的更改，環(huán)保法規(guī)也做出了改變，嚴(yán)格度逐漸提升，環(huán)保型膠粘劑是以后合成膠粘劑發(fā)展的根本方向。

（1）氯丁膠粘劑，其性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、用途廣，廣泛用于建筑行業(yè)、制鞋工業(yè)等領(lǐng)域。氯丁膠中存在較多的有機(jī)溶劑，既有害也有毒，不僅如此，其與聚氨酯、軟PVC等新型材料粘接性能差，現(xiàn)在正逐漸被聚氨酯膠和熱熔膠替代。

（2）水性膠不含有機(jī)溶劑，無(wú)污染，是環(huán)保型膠粘劑，也是我國(guó)增長(zhǎng)最快的膠種之一。如常用的丙烯酸、VAE 乳液和聚醋酸乙烯等。醋酸乙烯（VAc）和乙烯（Ethylene）單體乳液共聚物有其簡(jiǎn)稱，即為VAE乳液膠，將其作為基礎(chǔ)材料，再添加交聯(lián)劑、增黏劑、填充劑、增稠劑等，使其通過(guò)工序形成VAE乳液膠粘劑。無(wú)害、固化速度快、濕黏性與初黏性高、無(wú)毒、貯存穩(wěn)定、含醛量低、耐受性強(qiáng)、不易老化、使用安全方便、可粘接多種材料等都屬于VAE膠粘劑的性能。

（3）熱熔膠無(wú)污染、固化迅速、粘接強(qiáng)度大，便于包裝、運(yùn)輸、貯存，屬于環(huán)保型膠粘劑。在眾多的傳統(tǒng)熔膠中，聚酯類（PET）、聚酰胺類（PA）熱熔膠的發(fā)展也是相當(dāng)迅速的，不過(guò)傳統(tǒng)的EVA熱熔膠的發(fā)展速度還是不理想。例如熱熔壓敏膠的首要材料為SIS 樹(shù)脂彈性體，其主要用于婦女衛(wèi)生巾，老人和小孩尿布，雙面膠帶和商標(biāo)等，備受青睞。

（4）聚氨酯膠粘劑是安全產(chǎn)品，也被認(rèn)同為綠色產(chǎn)品，即不污染環(huán)境、安全可靠、易操作和改性、無(wú)毒、節(jié)能、不易燃燒，正是由于這些特點(diǎn)，使得其備受歡迎，在木材加工、建筑、造紙、織物、皮革涂飾等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍變得更加廣泛。

（5）有機(jī)硅膠及其改性膠粘劑具有良好的耐溫性、耐化學(xué)試劑性、耐候性、耐老化性、無(wú)毒、電氣絕緣性、抗伸縮疲勞強(qiáng)度高、永久變形小、防水性等優(yōu)點(diǎn)，使得其在航空、通信、電子、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域的涂覆、粘接、灌封工序中使用的范圍越來(lái)越廣泛。不僅如此，在航天領(lǐng)域中，一種被稱為最理想的空間材料就在其中，即有機(jī)硅材料。

2??膠接技術(shù)

用膠粘劑連接兩個(gè)物體的連接技術(shù)稱作膠接技術(shù)。膠接技術(shù)可以產(chǎn)生一種粘合力，不過(guò)需通過(guò)膠粘劑的媒介在某個(gè)固體的表面上形成，是一個(gè)可以將不同種類與相同種類材料緊密連接的方案。在傳統(tǒng)的飛機(jī)制造中，鉚釘是金屬板連接的媒介，并且鉚釘?shù)氖褂脭?shù)量較大，但是膠接結(jié)構(gòu)就不同了，因其具有結(jié)構(gòu)輕、強(qiáng)度高、隔音、阻裂、減振等功能，使得膠接可以替換鉚釘，這樣還可以減輕其重量的1/4，成本也節(jié)約了大概1/5。膠接的連接方式是通過(guò)面積連接的，從而提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，以及完善結(jié)構(gòu)表面的氣動(dòng)特性。所以，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、航空領(lǐng)域、機(jī)電領(lǐng)域等，膠接技術(shù)都能夠得到廣泛的應(yīng)用。

2.1??國(guó)內(nèi)外膠接接頭技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1.1??國(guó)外膠接接頭技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)40年代末，Reissner與Goland對(duì)搭接接頭的應(yīng)力狀態(tài)與膠層進(jìn)行了分析研究。通過(guò)多次的研究得出的數(shù)據(jù)可知，膠層中的接頭處有應(yīng)力集中的情況，其應(yīng)力主要為正應(yīng)力和剪應(yīng)力。在20世紀(jì)60年代末，Hofer和Kutscha論證了先進(jìn)復(fù)合材料膠接工藝的可行性。此前，膠接工藝大多是靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，想要產(chǎn)品的性能可以以試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證，那么就必須采用系統(tǒng)的理論方案來(lái)進(jìn)行協(xié)助。因此，他們研究分析的入口主要從膠層厚度、膠接寬度、膠粘劑泊松比等開(kāi)始進(jìn)行，最終獲得了以上因素對(duì)應(yīng)力集中影響的規(guī)律。

在20世紀(jì)70年代初，單搭接頭也得到了研究分析，其研究者為Hart-Smith，憑借其經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橫向拉應(yīng)力作出了假設(shè)，如果是這樣的話，膠粘劑與膠接件則都屬于彈性體，如果是剪應(yīng)力，則為塑、彈性行為。Peppiatt和Adams對(duì)膠接接頭的三維力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了研究，主要研究其接頭寬度對(duì)應(yīng)力變化的影響，并且還通過(guò)光彈測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在20世紀(jì)70年代初，Carver與Wooley通過(guò)有限元法，著重研究了單搭接頭應(yīng)力，并分析了搭接長(zhǎng)度、彈性模量、膠層厚度對(duì)應(yīng)力的影響，不過(guò)毛邊的影響沒(méi)有考慮到，根據(jù)理論研究和分析結(jié)果的差距來(lái)看，效果還是不錯(cuò)的。

2.1.2??國(guó)內(nèi)膠接接頭技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)膠接接頭技術(shù)的發(fā)展，Hart-Smith模型中正在逐漸攝入層間正應(yīng)力，其代表學(xué)者為吳代華，他對(duì)膠接接頭的研究進(jìn)入了更深層次的推廣，進(jìn)階到了二維階段。在實(shí)際的理論研究中，紀(jì)東連等人主要針對(duì)接頭設(shè)計(jì)與膠焊接技術(shù)進(jìn)行了分析。

在復(fù)合材料膠接接頭的形成與膠接接頭內(nèi)應(yīng)力分析的具體內(nèi)容中，沃西源等起到了關(guān)鍵性的作用。而殷勇等則主要針對(duì)膠焊連接接頭的相關(guān)應(yīng)力進(jìn)行研究再分布的問(wèn)題，通過(guò)三維粘彈塑性的有限元法來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅如此，還對(duì)材料選擇的方向與相關(guān)接頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

2.2??膠接技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1??膠接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）膠接比焊接、鉚接或螺紋等機(jī)械連接可減少質(zhì)量25%～30%。由于膠接不用鉚釘和螺栓，膠接件受力均勻，這種連接方式可大幅度減輕構(gòu)件重量。

（2）膠接接頭應(yīng)力分布均勻，理論應(yīng)力集中系數(shù)比較低，應(yīng)力集中現(xiàn)象不像鉚、焊和螺栓連接那么嚴(yán)重，還可以提高構(gòu)件的疲勞壽命，減少薄板結(jié)構(gòu)發(fā)生局部翅曲的現(xiàn)象。試驗(yàn)證明，飛機(jī)的某些構(gòu)件由鉚接改為膠接后，膠接的剪切強(qiáng)度高25%，疲勞壽命提高了3～10倍。

（3）膠接可以連接各種材料，選擇的范圍極為廣泛。不僅適用于金屬之間，而且在非金屬材料之間，金屬與非金屬材料之間，以及木質(zhì)纖維材料之間都能獲得良好的連接。

（4）膠接連接能保證被膠接材料的強(qiáng)度。由于加工連接孔在膠接工藝中不使用，那么材料的有效承載橫截面積則沒(méi)有影響。膠接過(guò)程是在較低的溫度下完成，最大程度保證了金相組織與焊接結(jié)構(gòu)熱變形的情況，可充分發(fā)揮材料的功能。

（5）抗耐腐、密封、耐水性、導(dǎo)磁、導(dǎo)電、絕緣等是膠接接頭的優(yōu)點(diǎn)。恰當(dāng)?shù)哪z粘劑可以提高接頭處?kù)`活性，且其還會(huì)較美觀。

（6）膠接工藝簡(jiǎn)便，膠接工藝可實(shí)現(xiàn)大批機(jī)械化和自動(dòng)化操作，可以同時(shí)進(jìn)行大面積的連接，節(jié)省勞動(dòng)力，降低成本，提高了生產(chǎn)效率。

2.2.2??膠接技術(shù)的缺點(diǎn)

（1）影響膠接接頭質(zhì)量的原因有多種，涉及到膠接工藝條件、膠接材料、膠接的環(huán)境等。如果膠接接頭在空氣、高溫、光、有機(jī)溶劑等環(huán)境中長(zhǎng)期工作，那么一些膠層會(huì)出現(xiàn)老化的問(wèn)題，并出現(xiàn)接頭易碎、強(qiáng)度降低等現(xiàn)象，影響使用壽命。

（2）膠接使用溫度低，膠接件膠接接頭的強(qiáng)度隨著溫度的升高迅速下降，大部分都處于-50～150℃之間，部分耐高溫膠粘劑才可以長(zhǎng)期處于250℃高溫干燥的環(huán)境中。

（3）膠接質(zhì)量的重復(fù)性差，膠接性能的分散性高，致使其分散性大，一般在20%左右，點(diǎn)焊約15%，鉚焊只有8%。

3??膠粘劑的發(fā)展方向

膠粘劑合成技術(shù)的提高，使其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，綠色膠粘劑的發(fā)展前景較好。以下是膠粘劑的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）變換成無(wú)溶劑型、水基型。原先的膠粘劑中有大量的甲苯等毒性物，安全性低，并影響人們身體健康，但是水基型的膠粘劑無(wú)毒，安全性高，這樣一來(lái)，既可提高安全性，又可保護(hù)環(huán)境，成為了今后膠粘劑發(fā)展的首選。

（2）變換成零甲醛排放。甲醛毒性大，影響人體健康，采用調(diào)整配比等方法降低甲醛的排放量，使甲醛縮合系膠粘劑逐漸被替換，直至消失。

4??結(jié)束語(yǔ)

膠粘劑在我國(guó)各行各業(yè)以及一些尖端技術(shù)部門(mén)發(fā)揮著顯著作用，需求量日益增加，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高品質(zhì)、高性能、滿足市場(chǎng)需求的好產(chǎn)品，成為我國(guó)膠粘劑生產(chǎn)廠家和科研單位迫在眉睫的任務(wù)。膠接技術(shù)應(yīng)用范圍和應(yīng)用面積都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域都有較好的發(fā)展前景。