化工设备生产中胶粘剂的应用技术与前景

张伟岗

摘要：近年来胶接技术发展日益成熟，迅速发展完善的有机胶粘剂在工业生产领域中的应用范围越来越广，同焊接、机械连接共同构成了当代主要连接技术，文章主要对胶粘剂技术在化工设备生产中的应用进行了研究，在介绍了国内胶粘剂现状（包括消费、生产等）的基础上，阐述了化工设备生产中胶粘剂的实际应用情况，并对包括氰基丙烯酸酯、聚氨酯、环氧树脂、辐射固化等在内的主要胶粘剂产品进行了重点综述研究进展。

关键词：胶粘剂;化工设备生产;氰基丙烯酸酯;应用分析

中图分类号：TQ437 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0009-03

不同种类的胶粘剂具备不同的功能（包括离温、密封、结构固化等），包括室温固化胶、压敏胶等工艺类型。异种及薄片材料通过胶合剂的使用实现相互连接，并能够确保应力在胶接处的均匀分布。环氧树脂、氯丁橡胶、密封胶在制造及修理集装箱中较为常用。合成胶粘剂包括主剂（即主料、基料或粘料）和助剂（包括固化剂、稀释剂、填料、增稠剂、增塑剂、阻燃剂、稳定剂、络合剂等）。国内的胶粘剂产量和消费规模不断扩大，应用范围覆盖了多个领域（包括制造、家具、建筑、汽车、电气、包装等），在化工设备生产中对设备及管道采用胶粘剂进行修复应用广泛（包括使用胶粘剂进行枯接密封及不停车堵漏），成为胶粘剂应用的一个重点领域[1]。为顺应快速发展的科技趋势及环保要求，对胶粘剂进行优化和完善使其环保化、水性化及使用性能满足不同领域的使用需求已成为目前研究的热点之一。

1 现状分析

作为胶粘剂的生产和消费大国，国内企业已具备了生产通用胶粘剂的技术能力（一些企业生产的高性能产品有自主知识产权），产品种类和质量也在不断创新完善，目前的胶粘剂生产及使用领域存在的主要问题在于。

1）胶粘剂行业市场集中度低，生产规模较大的企业大多分布于经济发达地区，使胶粘剂使用及发展不均衡。

2）胶粘剂产品的结构不均衡，以中低端、低附加值产品为主，存在部分产品产能过剩的问题;创新力度不足，高端高附加值产品（芯片胶、风电用PU胶等）的技术水平有待提升，高端产品开发成本极高，缺乏综合市场竞争力。

3）胶粘剂除了需具备较高的稳定性和可靠性，市场对胶粘剂产品的环保性能要求不断提高，主要应用领域（汽车、光电和包装等）的大型企业对胶粘剂性能的要求不断提高，国内胶粘剂产品中占比较大的为溶剂型，日渐完善的行业标准及环保体系促使低溶剂型、水性产品成为未来胶黏剂的发展趋势[1]。面对急需解决的技术、市场及环保等问题，胶粘剂行业企业需构建并完善行业标准化水平（包括生产、产品质量及使用流程等），加强技术创新，提升具有自主知识产权产品的市场竞争力，兼顾市场经济和环境保护，提升产品的环保性能，注重对高性能、环保型胶粘剂产品的研发，促进胶粘剂行业健康持续发展。

2 化工设备生产中胶粘剂的应用分析

实际化工设备生产中不可避免设备同腐蚀性介质的接触，强度及模量较高且耐热的钢材抗腐蚀性较差，非金属材料虽大多不具备金属材料的优势（尤其是物理机械性能）但在耐腐蚀方面表现出了极大的优势，因此复合材料成为化工设备生产广泛应用的材料（如蚊锌、踱铝、钢衬塑料/橡胶玻璃、钢涂涂料、搪瓷等）。传统工业制造复合材料以机械方法为主（包括焊、钉、铆、电艘法、粘接法等），但在连结金属和非金属方面粘接法效果更加，其中合成树脂胶粘剂在化工中较为常用（如环氧、酚醛、环氧一聚酞胺、聚酯、合成橡胶等）。

2.1粘接技术的优缺点

同质或异质的制件、材料通过使用胶粘剂或粘合剂（有机/无机、天然/合成）即可实现相互连接，胶粘剂属于固化后具有较大强度的一类物质，如包括硅/磷酸盐等在内的无机化合物;包括淀粉、天然橡胶、骨胶等在内的天然高分子化合物;包括热固性树脂（如环氧树脂、聚胺酯等）、热塑性树脂（如聚乙烯醇缩醛等）及合成橡胶（如氯丁、丁腈橡胶）等在内的合成高分子化合物。在实际应用过程中经常需以具体使用要求为依据将辅助材料（包括增强剂、固化剂、促进剂、填料等）添加到胶粘剂中实现相应功能[2]。同其它连接方法相比，发展迅速的胶粘剂的主要使用优势表现在以下4个方面。

1）粘接性不受材料性质的限制，通过焊接及其他机械方法则难以有效连接不同性质的材料（如金属同玻璃、塑料、陶瓷间），使用胶粘剂即可解决这些问题。

2）剪切强度大，在使用胶粘剂粘接后负荷由整个粘接面共同承受从而增加了剪切强度。

3）粘接结构重量轻且疲劳强度高，承受负荷状态下应力分布在粘接结构的整个粘接面上，显著提高了疲劳寿命。

4）可在禁火区施工，受到化学反应自身限制，许多易燃、易爆物质在化工设备生产过程较为常用，需停产置换后才可使用焊补，而使用胶粘剂则无需置换（部分粘补可不停车进行），显著提高了经济性和便利性。目前粘接技术仍然存在一些问题，包括控制粘接质量及后续粘接质量的检查的难度较大（缺少科学高效的无损检验方法），并且粘接的剥离强度较低，以有机高分子作为主要材料的胶粘剂存在老化及使用温度受限的问题。在粘接不断发展的过程中，需对不同的粘接工艺特点进行充分掌握，以便根据实际需要扬长避短，逐渐弥补胶黏剂的不足和向题。

2.2粘接性能的影响因素

2.2.1合理选择胶粘剂

目前胶粘剂种类繁多，各自性能不同，对胶粘剂进行合理选择成为基础环节，实际化工设备防腐胶粘剂的选择以树脂的防腐性能、环境温度为主要依据，例如联碱部分可使用环氧、聚氨醋等胶粘剂，若设备和管道裸露在外，耐候性及弹性较差的环氧则不适用，可选用聚丙烯酸、改性氯化橡胶。传统针对机械、法兰等采用固体垫片的各类静密封逐渐被液体垫片一胶粘密封的方式取代，对具体的使用部位选择密封胶时需以其温度、压力、介质、活动性等为重点考虑因素，厌氧胶适用于紧固密封微孔、轴承外套、螺丝等，如较为常用的不干性的MF-1、干性可剥型的厌氧胶609、半干性的603等，MF-1和603具备使用拆卸方便的优势，609则适用于高温且无需经常拆卸部位。修復设备时需兼顾使用部位的温度压力及接触介质，据此完成不同胶粘剂的选用（如耐水胶、油面胶、快干胶等），较高压力情况下需进行机械加固。通过耐磨胶的使用可实现磨损机械尺寸的恢复[3]。

2.2.2表面处理

在使用胶粘剂前大多需对被粘物表面进行处理，是确保粘接成功的关键，被粘物表面的杂质必须去除（包括铁锈、杂质、油污和水份），根据实际需要进行打磨以确保被粘物表面合适的粗糙度，如碳钢在去锈后采用丙酮擦洗干净，不锈钢需先进行脱醋再分别使用浓盐酸、30%的双氧水、40%的甲醛和水进行处理后洗净干燥，经表面处理处理后更有利于胶粘剂粘接性能的充分发挥。对于部分如塑料、采四氟乙烯等的难粘的低能表面，为避免前期的特殊处理过程需采用专用胶粘剂，塑料（如聚烯烃、氯化聚醚等）需进行氧化处理。

2.2.3粘接方式与工艺

不同的粘接方式对应不同的强度，通过前期合理设计粘接接头可确保接头以剪切力作为其所承受的大部分负荷，使减少剥离和劈开力得以有效减少或避免，从而防止层状材料的剥离。

1）温度和时间，除少数种类外（如丙烯酸醋类、环氧类）胶粘剂大多离不开加热（为胶粘剂提供能量，促进分子间的交联聚合）和固化（实现高内聚强度结构的形成）的操作环节，根据胶粘剂种类确定加热温度，合理范围内偏高的温度通常有利于粘接强度（尤其是高温环境下），初始时温度上升速度通常较慢，当进行激烈的聚合反应时需适当降低上升速度。缓慢的冷却速度适用于热处理后;温度和时间是固化条件的重要影响因素，充分的胶层固化需确保充足的时间（注意过长时间会使生产效率降低），在一定范围内，提高温度并缩短时间的效果可通过延长时间并降低温度实现。室温固化的胶粘剂其粘接强度同时间长度成正比，合理范围内温度的提高可显著缩短时间。

2）压力，在粘接施工中施加一定的压力可提高粘接强度，在压力下胶粘剂会产生流动，固化粘接件时通过压力的施加实现粘接结合面、接头和胶层间的充分粘合，在顺利进行浸润渗透的基础上使胶层或界面中的水分、气泡得以有效消除，从而使胶层更加均匀紧密[3]。

3）胶层的厚度，随着胶层厚度的减少粘接强度通常会有所提升，各类胶粘剂的适宜胶层厚度大多在0.05～0.25mm区间内，厚度较大的胶层提高了增加界面上缺陷的概率，进而导致强度降低。受到热膨胀系数差的影响，树脂的内应力在加热、冷却时因发生膨胀、收缩而增大，从而使强度降低，因此需确保胶层厚度的合理。

3 主要胶粘剂研究进展

3.1 PU胶

PU胶在建筑、包装、制鞋及交通运输等领域应用较为广泛，目前存在高端产品不足的问题，为顺应市场及环保需求，PU胶正逐渐向水性化和高性能化发展，WPU胶粘剂（水性聚氨酯）的主要缺点为耐水和耐热性差、固化速率慢、黏度小，为扩大其应用领域需进行改性处理，目前以交联、共混、共聚及助剂等改性方法较为常用，其中共聚改性研究以采用EP、有机硅、含氟化合物为主，例如，一种医药包装WPU胶粘剂的制备方法，原料主要使用了异佛尔酮二异氰酸酯、二羟甲基丙酸等（郝小芳等）;将PU通过改性丙烯酸树脂的使用完成改性过程后获得的WPU胶粘剂的耐高温性能得以有效提高（韦永好等）;将PU同丙烯酸酯、巴豆酸酯等发生反应后完成了PU的水性分散体的制备，所获取的胶粘剂具备热活化及可重复使用的优势（Achten等）。高强度、耐高温、阻燃是PU胶需具备的高性能，通过将磷酸三苯酯加入到二异氰酸酯一三羟甲基丙烷加成物水分散液中，完成阻燃耐水低挥发性产品的制备（张君侠等）[5]。

3.2 EP胶粘剂

EP在建筑、汽车、仪器仪表、热水器等领域应用较为广泛，目前国内企业生产的EP胶粘剂大多用于建筑行业，汽车及电子电气行业仍依赖于进口，环保及高性能的EP胶粘剂是研究重点。经过改性后的EP胶粘剂在扩大粘接基材范围的同时，其韧性和灵活性得以显著提高（如环氧聚氨酯、环氧丙烯酸酯改性等），例如，通过硅钛预聚物接枝改性EP（主要使用钛酸酯和二羟基硅烷获取）制备硅钛复合改性EP胶（王岳峰等），该产物具备较高的粘接强度（室温下的剪切及剥离强度分别可达30MPa、3kN/m）及良好的热老化性能;通过对EP胶使用有机硅进行改性实现了剪切强度的显著增强（黄强等）;一种耐高温磷溴型无溶剂EP胶也已成功制备（虞鑫海等）;一种凝胶时间可控的EP胶粘剂的制备实现了5min～24h的凝胶时间的控制，扩大了胶粘剂的应用领域[4]。

3.3辐射固化胶

该类胶粘剂在电子电器、光学、玻璃等领域应用较为广泛，辐射固化胶粘剂产品的性能有待提高和改进，重点方向为：提高附着力及内聚力，降低空气/湿气敏感性，在缩小涂层厚度的同时使聚合物稳定配向技术水平得以有效提高，例如，使用聚酯丙烯酸酯、聚硅氧烷丙烯酸酯等完成胶粘剂的研制，通过紫外光照射该胶粘剂无需使用湿气即可完成固化和封装过程（黄战光等）;通过一种引发剂体系复配胶粘剂（包括阳离子型及辐射固化白由基型，辅以适量丙烯酸酯高聚物）提高了粘接强度和耐候性，使现有技术中胶粘剂内应力不确定及耐久性差问题得以有效解决（陈云传等）[5]。

3.4氰基丙烯酸酯胶粘剂

该胶粘剂在工业消费品、汽车、医疗等行业应用较为广泛，因存在固化慢、强度及黏度较低等不足而需对氰基丙烯酸酯胶粘剂进行改性，汉高的乐泰435产品具有较高的剥离强度及较强的耐冲击性。通过使用ASA作为增稠剂和增韧剂实现了在不影响胶粘剂固化速率的同时，胶粘剂耐热/湿、抗老化性能的有效提高（聂聪等）。通过由有机聚合物和氰基丙烯酸酯组成的胶粘剂的制备实现了该胶粘剂强度、水解及储存稳定性的有效提高，更加适用于空隙充填性粘接（Bachon等）[5]。

4 结语

作为一种新工艺技术粘接技术成本低、见效快、经济高效、节能环保，以粘料为主剂的胶粘剂能够将材料（包括同类和不同类）紧密结合在一起，同时需辅以使用其他助剂配制（包括各种固化剂、烯释剂、增塑剂和填料等）。目前在工业及化工设备等生产领域中，除通过新材料的研制和使用实现设备防腐功能的有效提升外，对具备种类丰富、成本低且操作简单等优势的胶粘剂进行推广应用已经成为制造及检修相关设备的有效手段，有利于设备泄漏问题的避免及使用寿命的延长。

参考文献

[1]王学川，张思肖，刘新华，等.工业用木材胶粘剂的研究进展[J].中国胶粘剂，2018（09）：51-56.

[2]段海波，范多青，李超，等.水性胶粘剂防腐剂检测方法的研究进展[J].山东化工，2017（12）：72-73.

[3]Wenshu GJao， Cheng Li， Jianwu Li， etaI.Effect of theCrosslinking Agent Content on the Emulsion Polymeriza-tion Process and Adhesive Properties of Poly （N-ButylAcrvlate-Co-Methacrylic Acid）.Journal of AdhesionScience and Technology， 2018（07）：2031-2064.

[4]Hai Bo Xu， Jeong Hun Kim， Sangtae Kim， etal.Dou-ble layered dielectric elastomer by vapor encapsulationcasting for highly deformable and strongly adhesive tri-boelectric materials.Nano Energy， 2018（7）：145-153.

[5]陳卫东，张鹏云，陈艳丽，等.高性能环氧树脂胶黏剂研究概况[J].化工科技，2016（03）：81-85.