化工学科胶黏剂课程设计

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
课程设计说明书
课程名称：胶粘材料及工艺设计
设计题目：粘接铝材用胶粘剂
院系：化工学院高分子材料系班级：0914101
设计者：尉枫
学号：1091410106
指导教师：贺金梅
设计时间：2012.12.03—2012.12.07
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学课程设计任务书
*注：此任务书由课程设计指导教师填写。

胶接铝材用胶粘剂
尉枫1091410106
摘要：随着科技的发展，铝材在工程中、生活中的应用日益广泛。

环氧树脂胶粘剂对各种金属和大部分非金属材料均有良好的粘接性能，常被称作“万能胶”。

因此本设计选取环氧型胶粘剂配合各种助剂用来粘接铝材，使其在室温固化，且有一定韧性。

关键词：环氧胶粘剂；室温固化；表面处理工艺；粘接固化工艺
目录
摘要 (1)
一、前言 (3)
二、铝材环氧胶粘剂组分选择 (3)
2.1环氧树脂的选择 (3)
2.2固化剂的选择 (4)
2.3促进剂的选择 (4)
2.4增韧剂的选择 (4)
2.5稀释剂的选择 (5)
2.6偶联剂的选择 (5)
2.7其他助剂 (5)
三、胶粘剂配方设计 (5)
四、被粘材料的表面处理工艺 (6)
4.1概述 (6)
4.2铝材表面处理工艺 (6)
4.2.2机械处理法 (6)
4.2.3化学处理法 (7)
五、胶接工艺 (7)
5.1配胶 (7)
5.2涂胶 (7)
5.3粘接 (7)
5.4固化 (7)
5.5测试 (7)
六、参考文献 (8)
一、前言
随着科技的发展，铝材在工程中、生活中的应用日益广泛。

由于其不易焊接，而铆接和螺钉连接又会产生许多缺陷，因此经常采用胶黏剂胶接固定[1]。

胶接技术简化了制造工艺，降低了制造成本，减轻了结构件的质量，提高了连接件的耐疲劳性能和可靠性[2,3]。

环氧树脂胶粘剂对各种金属和大部分非金属材料均有良好的粘接性能，常被称作“万能胶”。

环氧树脂胶粘剂由于其固化剂种类繁多，可分别在常温、中温、高温下固化，一般固化时只需接触压力0.1-0.5MPa，大大简化固化工艺及设备，且其在固化过程中不析出低分子物，收缩率比较低，若选用适当填料，可使收缩率降至0.1%-0.2%。

基于环氧树脂具有以上突出的特点，我选用环氧树脂E-51作为胶粘剂的基体。

环氧树脂胶粘剂是一类由环氧树脂基料、固化剂、稀释剂、促进剂等配制而成的工程胶粘剂。

由于其粘接性能好、功能性强、价格比较低廉、粘接工艺简便、不含挥发性溶剂、固化收缩小、抗疲劳性好等优点，在许多领域得到了大面积应用[4]。

且环氧树脂胶粘剂配方多种多样，可以根据不同的需求来制得各种要求的胶粘剂。

因此在本设计中，计划采用结构型环氧树脂胶粘剂对铝材进行粘接，通过对其他助剂的控制和配方设计，使所制得胶粘剂可以达到常温常压固化，常温剪切强度≥15MPa，且具有良好的韧性。

环氧胶粘剂按固化温度可以分为：室温固化、中温固化、高温固化等几类。

室温固化环氧胶粘剂的优点是施工方便、适用性强，特别适用于大型设备的修理、建筑结构的加固补强、复合材料的粘接以及航空、航天、汽车、轮船、电子及体育器材等的粘接，所以已引起人们广泛的关注和研究。

解决室温快速固化的关键，在于使胶粘剂体系获得足够的反应活性，其中最主要的是环氧树脂和固化剂本身的反应活性。

环氧树脂的开环活性由其自身分子结构所决定，选择反应活性大的环氧树脂如间苯二酚型、羟甲基双酚A型、多官能团树脂等与双酚A 型树脂配合使用，可以提高环氧树脂的反应活性。

环氧树脂室温固化剂主要是胺类固化剂，对其进行改性或加入适当促进剂可以提高其固化速度。

因其固化剂活性较大，故采用双组份形式。

二、铝材环氧胶粘剂组分选择
2.1环氧树脂的选择
为能够室温固化，选用双酚A型环氧树脂E-51（f = 2）和AG-80（f = 4）配合使用。

其中，AG-80为多官能度单体，增大体系活性，性能优良，作为E-51的改性剂来使用。

2.2固化剂的选择
酚醛胺是多元胺和甲醛、苯酚缩合反应所得到的一种改性多元胺固化剂，它毒性低，可以在室温下固化，其优点是固化速度快，能够在低温（0 ℃左右）、高湿条件下固化，缺点是放热量较大，固化物较脆。

故本设计选用酚醛胺T-31作为固化剂。

2.3促进剂的选择
为提高常温下固化速率，选用DMP—30作为促进剂，用量约为主固化剂量的5—15%。

而且根据文献可知，DMP-30的用量直接影响环氧室温胶的适用期。

DMP-30的用量越大，环氧胶的适用期越短。

采用相同固化体系，通过实验可知，当总固化剂量为100g时，DMP-30的用量为12g，环氧胶的适用为40～45 min，适合于大面积粘接操作[4]。

2.4增韧剂的选择
环氧树脂增韧机理：增韧剂可含有( 也可不含有) 能与环氧树脂发生作用的活性基团, 但一般并不完全溶于环氧树脂中, 有时还和环氧树脂分相。

理想的增韧结果可使固化环氧树脂对温度和速度都不敏感, 即增韧后使体系热形变温度下降甚微, 对高温性能影响不大,又使其内应力大
大下降，抗冲击性能和本体断裂韧性有较大改善; 在不同速率外应力作用下胶层不容易开裂破坏, 而且增加对裂缝延伸的抵抗性, 同时可获得好的疲劳性能[5]。

按增韧机理可分为化学增韧(增韧剂与环氧树脂发生化学交联)和物理增韧(增韧剂与环氧树脂不发生反应);近来研究较多的增韧
剂主要有:橡胶类弹性体、热塑性树脂、纳米材料、液晶聚合物和柔性固化剂。

低分子聚酰胺固化剂几乎无毒、无挥发性，对皮肤刺激性很小。

其固化物的机械性能、电性能均衡，耐冲击性能优良，特别是粘接性好。

低分子聚酰胺虽然可以室温下固化，但其固化反应不完全，尤其是初始预固化时间较长，25 ℃下需要2~3 h才能预固化，10 ℃以下基本上不固化。

通常需添加一定量的促进剂DMP-30来提高其固化速度[4]。

2.5稀释剂的选择
稀释剂的主要作用是降低环氧树脂配方体系的粘度，改善工艺性能。

本设计选用活性稀释剂501，化学名：丁基缩水甘油醚(BGE) 。

作为环氧树脂稀释剂，一般用量为树脂重量的10-15%。

2.6偶联剂的选择
少量偶联剂的使用可以在环氧胶和铝合金试片之间形成偶合层，从而增加环氧胶的剪切强度。

本设计中选用KH-560硅烷偶联剂。

根据文献可知：由于和空气中的湿气很容易反应，其用量不能太多，否则会因为KH-560的水解降低环氧胶的剪切强度和耐水性。

对于100g粘料来说，当KH-560用量为2～3 g时剪切强度较高[4]。

2.7其他助剂
本设计还选用触变剂SiO2，改善胶液流动性。

三、胶粘剂配方设计
采用双组分，A组分以环氧粘料和一种固化剂为主，B组分以另一种固化剂为主。

通过查阅文献，可知所选用的粘料与低分子聚酰胺650的质量比为2:1时可得到性能较好的胶黏剂。

其它助剂根据实际经验以及已见诸报道的众多经典配方来大体确定。

详细组分配方见表1。

固化制度：A:B=1:1，25o C 24h。

四、被粘材料的表面处理工艺
4.1概述
金属或非金属材料在加工、运输、保管过程中,不可避免地会产生氧化、油污、锈蚀等现象,造成不利于粘接剂润湿的弱界面层,会严重降低粘接强度,金属表面的油污和疏松的氧化膜,橡胶、塑料表面的油脂或脱模剂层都对粘接不利,为此,在粘接这些材料之前必须撤底清除污染,改变被粘接材料表面的物理化学性质,如在某些金属表面用化学法获得活性致密的特种氧化膜,或造成特定的粗糙度,或在塑料表面形成有活性基团的特殊表面等等,最终以获得洁净的活性表面,来提高粘接强度。

被粘接材料的表面处理一般可分为脱脂处理、机械处理和化学处理三大类[6]。

通常经过处理后的金属表面具有高度活性，更容易再度受到灰尘、湿气等的污染。

为此，处理后的金属表面应尽可能快的进行胶接。

4.2铝材表面处理工艺
4.2.1脱脂处理
脱脂处理采用溶剂法，是采用有机溶剂清除表面污垢而不改变被清洗物表面的物理或化学结构的一种方法，能够提高胶粘剂的浸润性。

溶剂清洗的方式很多，蒸汽脱脂、超声波蒸汽脱脂、溶剂擦拭、浸洗或喷淋等都是最常用、最基本的溶剂清洗法。

由于实验室条件限制，采用溶剂擦拭法，所选溶剂为丙酮。

再用自来水冲洗干净，晾干待用。

4.2.2机械处理法
利用机械的方法将粘结表面净化并形成新的表面层，减小固体表面接触角，改善粘结物表面的润湿性，从而达到改善粘附性能的目的。

常用的机械处理法有机械打磨、喷砂等，适当地将粘物表面粗化，这样可以增加有效胶接面积，清除表面不利于胶接的有机或无机物，以提高粘结强度。

但值得注意的是，过于粗糙的表面会导致粘接强度下降，故处理要十分注意。

本设计中，将脱脂后的铝件，在粘接处砂纸打磨至表面光滑。

4.2.3化学处理法
以化学方法清洗表面的一种工艺过程，最常用的是酸处理和碱处理。

被粘物表面经化学处理后，改变了表面的化学结构，从而引起表面的物理化学性质的改变，改善了粘接性能，能不同程度地提高粘接强度。

金属表面经过化学处理后可在表面形成一层致密、坚固的氧化膜，这种氧化膜具有强吸附力、内聚强度高、表面能高的特性，利于胶粘剂润湿。

在本设计中，将铝件放入配好的5%NaOH溶液中，50o C下处理3min，之后用自来水反复冲洗，晾干。

再酸洗几次，自来水冲洗，置于烘箱中烘干。

配置好硫酸、重铬酸钾溶液，将铝件取出放入溶液中化学处理。

此时，其表面层的自然氧化膜溶解，生成了新的氧化膜。

处理过后的铝材应及时胶接，以免表面再被污染。

五、胶接工艺
5.1配胶
首先按照配方将所设计胶粘剂的A组分和B组分分别配制完毕，然后按照A组分：B 组分=1:1的比例称量出适量的A、B组分放于PE膜上充分混匀，待用。

5.2涂胶
用牙签将配好的胶液均匀的涂抹于处理过的铝材的表面，厚度为1mm左右。

注意，涂层要均匀，在保证胶接强度的同时，尽量涂的薄些，避免涂层中的缺陷影响胶接强度。

5.3粘接
将两片涂过胶的铝材迅速粘在一起，保证铝件不歪不斜，固定住后用滤纸包裹好粘接部分。

5.4固化
铝件在加压器上约0.5MPa下置于干燥处室温固化24h。

5.5测试
将固化好的铝件用电子仪器测试其剪切强度。

哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）
六、参考文献
[1] 周建芳，李安，饶保林.金属工件的表面处理及胶接工艺对胶接剪切强度的影响[J].化学与黏合,2007,29(1):30-33.
[2] 张跃军，王新龙．胶粘剂新产品和新技术[M]．江苏科学技术出版社，2003：89-90．
[3] 龚辈凡．我国胶粘剂工业发展趋势与对策[J]．中国胶粘剂，2001，10(5)：38-41．
[4]范福庭，沈晓成. 高性能双组分室温固化环氧胶的研制[J]. 粘接，2012: 61-64.
[5]苏航，魏伯荣.橡胶增韧环氧树脂的研究[J].中国胶粘剂，2007, 16(11):4-7
[6]何履平，提高材料粘接强度一论材料的粘接强度与表面处理的关系.1993
8。