1、胶接技术及原理 Charles FuCherse_1981tom2019.02胶接与机械固定相比的五大优点胶接与机械固定相比的五大优点l接头有韧性吸收能量 避免接头处的应力集中分散应力抗冲性能好l既粘接又密封 工效提高 施工方便l粘接不同材料避免材料间的电化学反应吸收热胀冷缩产生的应力l粘接薄型材料降低成本维持材料的整体性 无孔、洞等l外观漂亮 无焊接变形 无突出物 无疤痕胶接与机械固定相比的五大优点胶接与机械固定相比的五大优点定义：定义：u胶粘剂又称粘合剂，简称胶（bonding agent，ashesive），是使物体与另一物体紧密连接为一体的非金属媒介材料。在两个被粘物面之间胶粘剂只占很
2、薄一层体积，但使用胶粘剂完成胶接施工之后，所得胶接件在机械性能和物理化学性能方面，能满足实际需要的各项要求。胶粘剂定义u粘接技术：是借助胶粘剂在固体表面上所产生的粘合力，将同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法。粘接剂粘接剂 20世纪初至30年代为诞生阶段 1907年 L.H.Baeke land 首次发明酚醛树脂；1912年美国研制成功酚醛胶粘剂 20世纪30年代至60年代末为发展阶段 1937年 A.G.Bayer 公司开发出聚氨酯 1943年有机硅胶粘结剂投入生产 1946年 Ciba Geigy 公司试制成功双酚A环氧树脂 1953年乐泰公司年制成厌氧胶 1955年 Eastaman
3、公司开发出-氰基丙烯酸（瞬干胶）20世纪70年代至90年代末为完善阶段 胶粘剂的研制趋于功能化、高性能化、专用品级化和规模化发展胶粘剂近现代史胶粘剂近现代史历史：历史：考古学证据显示粘合剂的应用历史已经超过 6000多年，我们可以看到在博物馆里展出的许多物体在经过3000多年后依然固定在一起。进入20世纪，人类发明了应用高分子化学和石油化学制造的“合成粘结剂”，其种类繁多，粘结力强。胶粘剂历史粘结的主要形式：结构性粘接和非结构性粘接结构性粘接：将结构单元牢固地固定在一起的粘接现象。非结构性粘结：主要指表面粘涂、密封和功能型粘接等。粘接剂粘结过程粘结过程 影响粘结强度的因素：粘结剂的内聚强度；被
4、粘材料的内聚强度；粘结剂与被粘材料之间的粘合力。粘接力和内聚力粘接力 存在两种不同表面之间的吸引力内聚力材料自身分子之间的吸引力基材条件：基材（表面能）：表面能越大，基材润湿性约好，越易粘结。表面粗糙程度/间隙：要有一定的粗糙度，金属表面还应去除氧化膜；表面的清洁：表面需除去污渍和油脂等污染物。工序条件：时间，温度，压力，湿度等。润湿机理润湿机理润湿方程和接触角润湿方程和接触角如何取得最大的接触面积时间胶需要时间流动温度高温可以减低胶的黏性促进胶的流动性促进胶对被粘物的浸润压力促进胶的流动性促进胶对被粘物的浸润避免气泡的产生湿度适当湿度可促进或减缓固化反应时间初粘力与终粘力初期粘性无驻留时间最
5、终粘性驻留时间72h/70c粘接面受外力的种类剪切正拉杠杆力或劈裂力剥离力粘结面受外力的种类接头破坏模式粘接失败被粘物破坏胶层破坏胶粘剂一般术语粘度 液体的内摩擦力 粘度的度量方法分为绝对粘度和相对粘度，我们一般常用的是绝对粘度。绝对粘度又分为动力粘度和运动粘度。在我们粘胶剂的参数表示中，粘度用动力粘度来表示，单位为泊（ps）或厘泊（cps）。我们常用的单位还有帕.秒（Pa.s）和毫帕.秒（mPa.s）。1 Pa.s=1000mPa.s=1000cps=10ps在润滑产品的参数表示中，粘度用运动粘度来表示，单位为厘斯特（cSt）和平方米/秒（m2/s).1cSt=10-6m2/s=1mm2/s
6、动力粘度=运动粘度*密度固化 通过化学反应使胶粘剂具有强度性质的过程硬度 表示它抵抗外力压入的能力，也就是后所材料对刚性物压入时的阻力，它的大小反映出材料本身的软硬程度。邵氏硬度，一般常用等级为 shore D、A、00，软硬程度依次递减，00级别一般使用在凝胶类非常柔软的物体上，A级别类似橡胶带有弹性的软硬程度，D级别描述坚硬的物体。具体硬度以数字表示，如80D、20D、60A、30 00等，同级别下数值越大表示越硬。级别之间没有转换的公式，一般可以认为90A20D 表干时间 指将一个小的PE薄片（大约2cm*5cm）放置在胶粘剂的表面，拿开时表面不会有黑色的残胶。产品本身仍有粘性，但不会在
7、PE薄片上留有痕迹。拉伸强度 在垂直于胶层的载荷作用下，胶接试样破坏时单位胶接面所承受的拉伸力 单位：Mpa、kgf/cm2、psi 1 Mpa=10.194 kgf/cm2=145.033 psi 剪切强度 在平行于胶层的载荷作用下，胶接试样破坏时，单位胶接面所承受的剪切力。单位：Mpa、kgf/cm2、psi 1 Mpa=10.194 kgf/cm2=145.033 psi 剥离强度 在规定的剥离条件下，使胶接试样分离时单位宽度所能承受的载荷。单位：KN/mm、ppi 1 KN/mm=175ppi 介电强度 是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度。它定义为试样被击穿时，单位厚度承受的最大电压
8、，表示为伏特每单位厚度。测定方法：通常采用短时间法，加在两电极间的电压从零开始以相同的速率上升，直至介质被击穿。单位：kV/mm、V/mil 1kV/mm=25.374V/mil 体积电阻率 指某材料单位厚度上的直流压降与单位面积上通过电流之比。测定方法：将标准规格的式样置于两电极之间，60秒的时间内，加500伏特的电压并测量电阻，计算提及电阻率。单位：ohm.cm 玻璃化转变温度（Tg）是指高分子材料开始从玻璃态（刚性）向橡胶态（柔软）转变的温度。特别是对于环氧这类固化后比较坚硬的胶体，在电子行业中，一旦超过Tg点后，胶体的电性能会有所下降。导热率 热量从物体的一部分传导至另一部分，或从一物
9、体传导至另一物体，称为热传导。导热率是一表明物质热传导能力的性能参数。即在稳定条件下，垂直于单位面积方向的每单位温度梯度通过单位面积上的热流。单位：W/（m.k)、kcal/(m.h.）1 kcal/(m.h.）=1.16 W/（m.k)适用期 指配置的胶粘剂与密封剂能维持可实用性的时间。对单组份空气固化的胶粘剂与密封剂，则是指将它挤出暴露在空气中适合涂布组装的最短时间。双组分胶粘剂的试用期一般指粘度增加一倍的时间。催化剂中毒 催化剂因与其他材料反应而是去反应活性。温度冲击 又称高低温交变试验 high-low temperature cycles test，使胶接试样承受规定的高、低温周期交
10、变后，检测其性能变化的实验。胶粘剂分类按化学类型分类按化学类型分类无机胶粘剂（如高温水泥）有机胶粘剂：分为天然胶粘剂和合成胶粘剂合成胶粘剂按化学成分主要分为：EpoxyPuSiliconeAcrylicEtc按物理形态分类按物理形态分类水基型：基料分散于水中形成水溶液或乳液，水挥发而固化溶液型：基料在可挥发溶剂中配成一定粘度的溶液，靠溶剂挥发而固化膏状和糊状：基料在可挥发溶剂中配成高黏度的胶粘剂，用于密封和嵌缝。固体状：把热塑性合成树脂制成粒状或块状，加热熔融，冷却时固化。膜状：将胶粘剂涂于基材上，呈薄膜装胶带按固化方式分类按固化方式分类热固化：通过加热的方式使粘合剂发生聚合反应而固化，温度和
11、时间根据不同的产品有很大的区别湿气固化：与空气中的水汽发生聚合反应达到固化。UV固化：光引发剂在紫外光照射下，形成自由基或阳离子从而引发胶合剂的聚合反应而固化。厌氧固化：在隔绝空气的条件下，发生自由基聚合反应，空气存在会阻碍聚合反应。催化固化：在催化剂作用下使粘合剂发生聚合反应达到固化按工艺分类按工艺分类粘合剂（Adhesive）：特殊有导电胶、导热胶、芯片的粘结。密封剂（sealant）灌封胶（potting&Encapselation）敷型涂敷（Conformal Coating）底部填充胶（Underfill）顶部包封（Glob top）按受力情况（受拉力、剥离力、剪切力等）结构胶非结构
12、胶粘结的主要形式：结构性粘接和非结构性粘接结构性粘接：将结构单元牢固地固定在一起的粘接现象。非结构性粘结：主要指表面粘涂、密封和功能型粘接等。粘接剂有机硅类胶粘剂有机硅类胶粘剂 -Silicone-Silicone环氧类胶粘剂环氧类胶粘剂 -Epoxy-Epoxy聚氨酯类胶粘剂聚氨酯类胶粘剂 -PuPu丙烯酸类胶粘剂丙烯酸类胶粘剂 -Acrylic-Acrylic橡胶型胶粘剂橡胶型胶粘剂 -Etc-Etc合成胶粘剂特性、固化机理及应用在实际使用中，多按照胶粘剂的化学成分对其进行识别。而相对无机胶粘在实际使用中，多按照胶粘剂的化学成分对其进行识别。而相对无机胶粘剂和天然胶粘剂而言，合成类有机胶粘
13、剂的特性以及固化机理均比较复杂，剂和天然胶粘剂而言，合成类有机胶粘剂的特性以及固化机理均比较复杂，下面针对这类胶粘剂进行具体的讲解。下面针对这类胶粘剂进行具体的讲解。有机硅胶粘剂优点 优越的高低温性能（Tg 120）低应力抗震性能好优越的电性能优异的耐候性不易燃缺点 机械性能差耐候性能差耐强酸碱性差耐油耐溶剂性能差高透水性能硅橡胶按其硫化机理可分为：加热硫化型、室温硫化型（缩合型）和加成反应型三大类。有机硅胶固化机理加热硫化硅胶：基础胶料是高分子量的聚硅氧烷，以过氧化物为交联剂。p固化机理：过氧化物引发的自由基交联反应。室温硫化硅胶：基础胶料是羟基封端的低分子量聚硅氧烷。按其包装形式可分为单组
14、份和双组分两种。p单组分室温硫化硅胶固化机理：胶料中的羟基遇到空气中的水气，水解成不稳定的羟基，再与交联剂发生缩合反应。按照交联剂类型不同可分为以下几种：脱脂酸型脱肟型脱醇型脱丙酮型p双组分室温硫化硅胶固化机理：胶料中的羟基在催化剂（有机锡盐，如二丁基二月桂酸锡，辛酸亚锡等）作用下与交联剂（烷氧基硅烷类，如正硅酸乙酯或其部分水解物）上的烷氧基缩合反应而成。以脱醇型最为常见。p加成型固化机理：在催化剂的作用下，发生加成交联。固化过程没有副产物，但易催化剂中毒。有机硅产品应用环氧胶粘剂优点 高粘接性固化收缩率小耐化学介质稳定性好电绝缘性优工艺性能良好、制品尺寸稳定吸水率低缺点 固化物性脆，伸长率小
15、固化放热应力大耐机械冲击和热冲击差耐候性差易燃，燃烧时有毒性物质放出环氧型粘合剂固化原理p固化机理：固化剂分两类：胺类及其衍生物，和酸酐类。胺类固化剂是与高分子链中的环氧基发生开环聚合反应酸酐类固化剂是与高分子链上的羟基发生酯化反应，最终都是形成三维网状结构。常见的环氧树脂：双酚A型、线型甲酚型、酚醛环氧树脂等此外还存在此外还存在 UV UV 固化型环氧胶：紫外线阳离子（环氧）型。固化型环氧胶：紫外线阳离子（环氧）型。p固化机理：光引发剂在紫外光照射下形成阳离子，阳离子引发环氧链接形成聚合物。Note：空气中的水汽或碱性表面会终止阳离子的活性，影响反应速率。环氧产品的应用航天航空、轨道交通、建
16、筑粘接轻工业生产：宝石首饰镶嵌，五金，陶瓷件装配，水晶及玻璃间粘合等体育用品生产：高尔夫球，网球拍，羽毛球拍，脚踏车前叉，鱼竿组装，雪橇及弓箭生产等；电子工业装配：微型马达，变压器装配，超声波震子黏合，线圈定位，节能灯装配，扩音器装配等圆网印花中的闷头胶机械，生产线维修电梯（升降机）护板装配家用日常修补聚氨酯胶粘剂分子链中含有氨酯基（分子链中含有氨酯基（-NHC00-NHC00-）和）和/或异氰酸酯基（或异氰酸酯基（-NCO-NCO）类的胶粘）类的胶粘剂。剂。优点 具有较高的机型和反应活性渗透力强，从而提高粘附力内应力小，耐疲劳性能优良低温和超低温性能卓越耐磨、耐腐蚀缺点 毒性大相对湿度高于7
17、0%时不能进行粘结耐高温性能差固化机理：无溶剂型单组份聚氨酯：是以-NCO为端基的聚氨酯预聚物为主题的聚氨酯胶粘剂无溶剂型单组份聚氨酯：是以-NCO为端基的聚氨酯预聚物为主题的聚氨酯胶粘剂固化机理：p固化机理：水气固化。利用空气中微量水分及基材表面微量吸附水而固化，还可与基材表面活性氢集团反应形成牢固的化学键。溶剂型单组份聚氨酯：以热塑性聚氨酯弹性体为主体的聚氨酯胶粘剂，主成分为高分子量端 OH 基线型聚氨酯，羟基数很小。p固化机理：通过溶剂挥发达到固化，加热可促进固化，当溶剂开始挥发时胶的粘度迅速增加，产生初粘性。当溶剂基本上挥发后，就产生了足够的粘接力，经过室温放置，多数该类型聚氨酯弹性体
18、中链段结晶，可进一步提高粘接强度。这种类型的单组份聚氨酯一般以结晶性聚酯作为聚氨酯的主要原料。双组分聚氨酯胶粘剂：主机一般为聚氨酯多元醇或稿费子聚酯多元醇。p固化机理：通过化学反应实现固化。含 NCO基团的固化剂与主剂中的滑行氢羟基发生交联反应而固化。两组分的配比以固化剂稍过量，即有微量 NCO基团过剩为宜，如此可弥补可能的水分造成的 NCO基团损失，保证胶粘剂产生足够的交联反应。聚氨酯胶粘剂部分应用汽车应用丙烯酸类胶粘剂以丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类单体共聚树脂为基体材料，通过加入固化剂或遇空气或隔绝空气（氧气）而固化的丙烯酸酯胶粘剂。分类分类反应性丙烯酸酯胶粘剂-氰基丙烯酸酯胶粘剂厌氧胶粘剂
19、丙烯酸酯类胶粘剂优点粘接表面制备要求低，无需特别处理室温粘结速度快，能够可加 热固化，也可使用促进剂加快固化速度固化收缩率小剥离强度和冲击强度高，剪切强度优良缺点耐热性差耐水性差保存条件要求较高较脆刺激性气味较重反应性丙烯酸酯胶粘剂p固化机理：在光或热作用下，引发剂作用下促使丙烯酸中的双键打开，进行自由基链式加成反应，还可以氧化固化：在氧气作用下引发自由基链式聚合反应。UV 型固化机理紫外线丙烯酸型：光引发剂在紫外光照射下形成自由基，自由基引紫外线丙烯酸型：光引发剂在紫外光照射下形成自由基，自由基引发聚丙烯酸单体聚合发聚丙烯酸单体聚合此类聚合存在氧气抑制作用，生成的自由基会和氧气反应，影响聚此
20、类聚合存在氧气抑制作用，生成的自由基会和氧气反应，影响聚合反应的速率。合反应的速率。氰基丙烯酸酯胶粘剂（快干胶）氰基丙烯酸酯胶粘剂（快干胶）p固化机理：固化时基材表面要有一定的湿度，湿气中和酸型稳定剂后，单体在水气的作用下，在基材表面产生阴离子聚合反应。优点粘接速度快粘度低透明性好使用方便气密性好对极性材料/金属/陶瓷/玻璃等材料粘接强度高缺点耐水/耐潮性差耐久性差较脆，不耐震动和冲击价格较贵刺激性气味较重Note：从固化机理可以看出，升高温度不会加快瞬干胶的固化，因为温度高，湿度就小，就不能快速完全的破坏酸性稳定剂厌氧胶粘剂在与氧气（空气）接触的情况下，不会固化，而在隔绝氧气（空气）时，几分
21、钟到几十分钟能将被粘物件定位，并很快固化，发挥粘接/密封作用。p固化机理：其是自由基聚合反应，氧气的存在会起阻聚作用，其阻聚原理：引发其引发丹迪产生自由基后，容易吸收氧再与另一自由基结合，生成稳定的过氧化物；隔绝氧气后，能迅速进行自由基聚合，实现固化。橡胶类胶粘剂以橡胶或弹性体为主体材料，加入适当的助剂，溶剂等配合而成的，又叫做弹性体胶粘剂。优点弹性好耐冲击和振动能力强，特别适于膨胀系数相差悬殊材料的粘接良好的粘结性和工艺性缺点粘结强度低，非结构粘接耐热性较低光固化材料可以利用紫外光或者可见光提供的能力来进行固化反应的一种材料。可以利用紫外光或者可见光提供的能力来进行固化反应的一种材料。实际系
22、统中，光源发出的光和光引发剂发生反应，从而激发了材料的实际系统中，光源发出的光和光引发剂发生反应，从而激发了材料的固化。光引发剂对紫外光敏感，或者同时对紫外光和可见光敏感。固化。光引发剂对紫外光敏感，或者同时对紫外光和可见光敏感。优点速度快，更短的循环时间操作简单，自动化程度高占地面积比较小无溶剂具有广发的基材适应性应用于医疗器械光学通讯电子一般工业热熔胶以热塑性树脂或热塑性弹性体为主成分，以增粘剂、增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂及填料为添加成分经熔融混合而制成的不含溶剂的固体状粘合剂。在室温下是固体，加热熔融成液态，涂布、润湿被粘物后，经压合、冷却，在几秒钟内完成粘接的胶粘剂。涂胶设备参考资料一：胶带力学性能测试方法剥离强度与剪切强度测试剥离强度衡量衡量粘接力剪切强度衡量内聚力动态剥离强度在标准角度和衡定速度下从测试面板上玻璃下标准面积的胶带所需的力静态剪切强度 反映内聚力，持粘性测试面板胶带载荷在衡定载荷从测试面板上拉下（剪切下）定义面积大小的胶带所需要的时间。胶粘剂的选择考虑因素粘接基材使用性能要求工艺要求成本要求时间要求毒性和安全要求认证后续问题：胶水选用准则常见胶接问题解析常见胶水品种、品牌及其特性Q&A
