建筑结构胶种类和使用

1. 胶粘剂的概述

1.1概述：胶粘剂又称粘合剂、粘结剂，是一种具有优良粘合性能的物质。它能在两种物体表面之间形成薄膜，使之粘结在一起，其形态通常为液态和膏状。胶粘剂的应用领域非常广泛，涉及建筑、包装、航天、航空、电子、汽车、机械设备、医疗卫生、轻纺等国民经济的各个领域。

1.2发展历史

1.2.1早在数千年之前人类就已经开始使用粘土和淀粉以及松香当作胶粘剂来使用。两千年前的秦朝用糯米浆与石灰作砂浆粘合长城的基石，使万里长城成为中华民族伟大文明的象征之一。

1.2.2秦俑博物馆中出土的大型彩绘铜车马的制造中，用了磷酸盐无机胶黏剂。

1.2.3 公元前2000年东汉时期用糯米浆糊制成棺木密封胶，配以防腐剂，使马王堆古尸出土时肌肉及关节仍有弹性,足见中国胶结技术之高超。到上世纪初，合成酚醛树脂的发明，开创了胶粘剂的现代发展史。目前，与合成高分子材料的产量比较，胶黏剂只占第五位，但年增长速度则居第一。目前，胶黏剂的应用已渗入到国民经济中的各个部门,成为工业生产中不可缺少的技术，在高技术领域中的应用也十分广泛。

1.2.4 汽车结构件粘接

1.2.5 粘结剂在航天领域的使用，由原来的非结构件到结构件再到受力件甚至整个机体运用的越来越广泛。

2. 胶粘剂的组成和分类

2.1 胶粘剂的组成

胶粘剂一般多为有机合成材料，通常是由粘结料、固化剂、增塑剂、稀释剂及填充剂和改性材料等原料经配制而成。

粘结料：粘结料也称粘结物质，是胶粘剂中的主要成分，它对胶粘剂的性能，如胶结强度、耐热性、韧性、耐介质性等起决定作用。

固化剂：固化剂是促使粘结料进行化学反应，加快胶粘剂固化产生胶结强度的一种物质。

增塑剂：增塑剂也称增韧剂，它主要是可以改善胶粘剂的韧性，提高胶结接头的抗剥离、抗冲击能力以及耐寒性等。

稀释剂：稀释剂也称溶剂，主要对胶粘剂起稀释分散、降低粘度的作用，使其便于施工，并能增加胶粘剂与被胶粘材料的浸润能力，以及延长胶粘剂的使用寿命。

填充剂：填充剂也称填料，一般在胶粘剂中不与其他组分发生化学反应。其作用是增加胶粘剂的稠度，降低膨胀系数，减少收缩性，提高胶结层的抗冲击韧性和机械强度。

改性剂：改性剂一般为了改善胶粘剂某一方面的性能。

2.2 按强度特性分类

结构型胶粘剂：胶结强度高，至少与被胶结物本身的材料强度相当。需耐油、耐热、耐水、耐腐蚀等。

非结构型胶黏剂：有一定的强度，但不能承受较大的力，只起定位作用。

次结构型胶黏剂：其物理力学性能介于上述两者之间。

2.3 按固化条件分类

溶剂型：涂于表面，挥发后形成粘合膜发挥粘结力。如聚苯乙烯、丁苯。

反应型：分室温固化胶粘剂、低温固化胶粘剂、高温固化胶粘剂、光敏固化胶粘剂、电子束固化胶粘剂等，如环氧树脂、酚醛、硅橡胶等。

热熔型：通过加热熔合，经冷却挥发后形成粘结力。如：松香、虫胶、石蜡。

3. 常用结构胶粘剂的品种、特性及应用

3.1 环氧树脂胶粘剂

环氧树脂胶粘剂（俗称“万能胶”）品种很多，目前产量最大、使用最广的为双酚A醚型环氧树脂，是以二酚基丙烷和环氧烷在碱性条件下缩聚而成，再加入适量的固化剂，在一定条件下，固化成网状结构的固化物并将两种被粘物体牢牢粘结为一整体。

环氧树脂胶的特性

（1)粘结强度高，与大多数材料具有优良的粘附性；可用不同固化剂在室温或加温条件下固化；(2)不含溶剂，能在接触压力下固化，反应过程中不放出小分子，收缩率小。(3)固化后产物具有良好的耐腐蚀性、电绝缘性、耐水性、耐油性等。（4）和其他高分子材料及填料的混溶性好，便于改性。针对环氧树脂的脆性，常用适当分子质量的聚合物为增韧剂。增加其韧性，提高其胶接强度。在环氧树脂分子主链引入耐温树脂链，提高其耐温性。

缺点：（1）不增韧时固化物一般偏脆、抗剥离、抗开裂、抗冲击性能差（2）对极性小的分子（聚乙烯、聚丙烯）以及油性金属粘结能力差。（3）具有不同程度的毒性和刺激性，施工操作时应该注意通风和防护。（4） 固化放热，耐候性一般。

3.2 聚氨酯胶粘剂

优点：优良的粘接性能、对多种基材的粘接适应性、韧性可调节、 粘合工艺简便、优良的稳定性。耐疲劳能力好、具有较好的灵活性，耐低温性特别好,相对来说价格很低。

缺点：  固化时间慢，毒性较大，粘结性能相对环氧树脂来说强度较低，耐高温性能差，保存期限较短。

应用范围:比较适用于塑料和橡胶材料的粘结。（制鞋业等）

3.3   丙烯酸酯类胶粘剂

胶可分为两种类型：一类是热塑性聚丙烯酸酯，或丙烯酸酯与其他单体的共聚物类胶粘剂，称为非反应性的胶粘剂；另一类是反应性丙烯酸酯类胶粘剂，胶接时经化学反应而固化。

3.3.1 非反应型

代表胶粘剂为α-氰基丙烯酸系胶粘剂，俗称“万能胶”，市场上出售的501胶、502胶、504胶就属于该系列。对金属和非金属材料均有很高的粘接强度，可用手工或机械施工，使用方便。

缺点：抗冲击性差，耐热性，耐久性，耐水耐潮性能相差。只能在70°-80°以下使用。固化速度太快，难以大面积粘结。存储时间短，大约半年时间。无毒但是对人体黏膜有伤害。

3.3.2反应型丙烯酸酯类胶粘剂

优点：抗剥离强度高，剪切强度高，抗冲击性能好。

缺点：耐溶剂性能低，耐温性低。有刺激性气味，较脆，有稍微毒性。

4. 对于FRP管材与钢管胶接胶粘剂的选用

4.1 FRP管连接试验要求

1. 粘结强度：环氧树脂>丙烯酸酯胶>聚氨酯胶粘剂。三种胶水胶粘剂都可以满足要求，优先选择环氧树脂胶粘剂。

2. 剥离强度：环氧树脂>聚氨酯>丙烯酸酯 优先选择环氧树脂胶粘剂。

3. 

3. 耐腐蚀耐溶剂性能：环氧树脂胶粘剂>丙烯酸酯胶粘剂>聚氨酯胶粘剂，优先选择环氧树脂胶粘剂。

4. 

4.抗冲击性与韧性：环氧树脂胶粘结剂>聚氨酯胶粘剂>丙烯酸酯胶粘剂，优先选择环氧树脂胶。

5.

5.耐温范围：环氧树脂胶胶粘剂>丙烯酸胶粘剂>聚氨酯胶粘剂，优先选择环氧树脂胶粘剂。

综上诉述环氧树脂胶粘剂是FRP管材与钢管胶结最合适一种胶水，确定为环氧树脂胶粘剂。

    性能对比

5. 3M scotch-Weld  Epoxy  Adhesives DP-460环氧树脂胶粘剂性能介绍

6.1 胶粘剂的剪切强度，是表征胶接强度的重要指标，也是胶粘剂力学性能的最基本的测试项目之一。为使胶粘剂与被粘物紧密粘附并具有足够高的强度，首要条件是胶粘剂应与被胶物紧密接触，使胶接表面能被胶粘剂充分浸润，此外还必须形成粘接力。胶粘剂的润湿性和粘接力不仅与胶粘剂本身的主体分子结构、组成成分及配方等因素有关，还与其胶接工艺关系密切，尤其要关注粘接时的表面处理工艺、涂胶厚度、涂胶后晾置时间等。

6.1.1 胶粘剂对胶结强度的影响

(1) 胶粘剂本身的胶结剪切强度要高，通过计算要满足胶结强度的要求。

(2)胶粘剂弹性模量低时,胶层中的剪应力小而接头边缘会产生相对的应力集中,胶粘剂弹性模量增高时,接头边缘处应力减小而胶层中剪应力增大。

(3) 胶粘剂的厚度能够影响胶焊接头的应力幅值:胶粘剂厚度较大时,胶层中的剪应力值小,在接头处会存在较大的应力集中;胶粘剂厚度减小时,接头边缘处应力减小而胶层中剪应力增大。

(4) 在不引起过大的应力集中和胶层中不产生大的缺陷且胶接工艺不复杂化的条件下,胶粘剂中采用易变形的胶粘剂对提高胶接接头的承载能力有利,此时应选择低弹性模量的胶粘剂和较厚的胶层厚度。

6.1.2表面处理对结构胶剪切强度的影响

胶接接头是由被粘金属、表面膜和胶粘剂共同组成的复合系统。在生产和工艺条件允许的情况下，为尽可能地提高胶接接头的性能，常需对胶结材料表面进行各种表面处理，对于金属材料胶结表面处理可以采用磷化液磷化处理，通过处理使这些金属表面磷化膜完整，有分布均匀的细小裂纹，孔洞较多切分布均匀，显然这些有利于胶粘剂的润湿、有利于胶粘剂中的分子渗透到微孔中去，从而提高胶接接头的强度。也可以采用打磨增加金属表面粗糙程度来增加胶结面积来提高剪切强度。

6.1.3不同胶层厚度对结构胶剪切强度的影响

胶层厚度并非越厚越好，剪切强度反而是随着胶层厚度的增加而降低。导致这种现象的原因是：1）随着胶层厚度的增加，胶层内部缺陷（气孔、裂缝等）呈指数关系迅速增加，导致内聚强度迅速下降。

胶层也不是越薄越好胶层越薄导致实际涂胶不均匀与胶层厚度大相比更容易造成应力集中这是由于胶层太薄导致实际涂胶不易均匀,并且与胶厚较大的劈裂接头相比,应力集中更加明显的缘故,导致胶接质量不高;然而胶层过厚时胶层中实际缺陷(比如气孔等)相对于较薄胶层更易于产生,从而影响了胶接质量。

6.1.3 胶结完成的晾至时间的长短

结构胶完全固化好对于不同结构胶晾至时间也不同，需要根据说明放置足够长的时间等到胶粘剂完全凝固。比如试验使用的3M-DP460需要48小时能够达到基本固化。如果没有等到胶粘剂完全固化会影响胶结的质量。

7 胶结接头的耐久性的影响因素

7.1 水

由于水分子具有体积小，极性很大的特点；可以沿着亲水性金属氧化物的表面渗透到整个胶结界面，并取代胶粘剂分子在金属表面的物理吸附，易使胶粘剂的材料表面发生剥离，从而导致胶结强度下降。其次，水能渗入到几乎所有的聚合物本体中，并与聚合物本体发生俩种作用；一是水分子可以使聚合物本体发生增塑作用，并导致胶接接头强度以及其他物理性能下降；二是在聚氨酯和聚酯等聚合物中，水还能使高分子键断裂，引起聚合物降解。

7.2 温度

高温或者低温环境易使得一些高分子材料发生降解或者交联反应。使得胶接接头的强度受到影响，同时引起胶粘剂发生物理变化和化学变化使得胶结接头老化失效。

7.3 光照

光照含有多种类型的光谱，其中紫外线对高分子材料的大气老化作用最为明显，紫外线照射会使化学键发生断裂，使得高分子材料老化加速，使得力学性能和耐久性能降低。

7.4被粘结试件

由于水对金属氧化物基体侵蚀易使得胶粘剂和金属表面的物理吸附力下降，使得胶接接头强度降低。因此被粘结件性能对胶结接头的耐久性影响尤为显著。

8 改善胶结接头耐久性的措施

胶结接头的失效形式有三种：内聚破坏、界面破坏以及混合破坏。要想增加胶结接头的耐久性，必须延缓街头的破坏。因此涉及到耐久性的改善，主要有俩部分：

（1）表面预处理

要想使胶接接头具有良好的耐久性，粘结材料表面预处理是一个重要的方法。经过预处理使得材料粗糙度增加，物理吸附力也增加，因而其表面能较高，胶接接头的强度也较高。目前常用的预处理方法主要是：机械打磨、等离子体放点处理及其表面涂覆技术。表面预处理不仅能增加其耐久性而且会使得胶结强度大幅度提升。不同表面处理对胶接接头耐久性和强度影响也不同。

（2）胶粘剂的属性

胶粘剂的配方设计是根据基料性质、固化原理等多方面考量进行胶粘剂体系的配方原理设计。选择标准是一对胶结接头主要功能性的一些要求，二是材料可粘性；其次确定铺助材料比如固化剂、促进剂、增韧剂等等 这些铺助材料对胶粘剂的性能起很大影响作用。