我国胶粘剂及胶接技术的应用现状及发展

李翠翠，王延召，王延琴

（郑州飞机装备有限责任公司理化计量中心，河南 郑州 450000）

1950年左右，在我国的工业发展进程中，胶粘剂还处于初步阶段，直到1980年左右，生产的顶峰随之出现，随后进入了突飞猛进的高速发展时期。在亚太地区的，中国胶类产品的消费量已经占据了一大半的比例，在全球胶类产品的消费量中，大约占30%，成为用胶大国。2005年我国胶粘剂产量为257.5万t，2015年产量上升为686.8万t。“十三五”期间，我国胶粘剂产量有望实现8%的年均增长率，2020年末我国胶粘剂的总产量可达1034万t左右。

胶粘剂被誉为“工业味精”。随着科学技术的进步，胶粘剂正在不断代替机械连接，并且在国民经济的所有领域中，应用范围越来越大，主要是针对生物医疗、汽车、制鞋、新能源、机械、高铁、木材加工、纺织印染等高科技领域。在航空航天工业中，合成胶粘剂逐渐应用在设备修复、结构连接、密封等方面，能将多种复合材料零件连接成一个完整的结构。

1  胶粘剂的类型与功能

将相同的材料和不相同的材料连接起来的物质，即为胶粘剂。胶粘剂由多种组分所组成，包括基料、固化剂或硫化剂、填充剂、增塑剂或增韧剂、偶联剂、稀释剂等。这些组分不仅保证胶粘剂基本的粘附作用，还能进一步提高胶粘剂的韧性、耐水性、耐环境性能等。

1.1  胶粘剂类型

胶粘剂品种繁多，分类方法也不尽相同，通常有以下几种分类方法。按应用对象分为结构型、非结构型胶粘剂；按化学成分可以分为丙烯酸酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂、三醛胶粘剂、聚醋酸乙烯胶粘剂、无机胶粘剂、改性酚醛胶粘剂、聚氨酯胶粘剂等；按形态可分为水溶型、水乳型、溶剂型以及各种固态型等；按应用方法可分为室温固化型、热固型、压敏型、热熔型等。

1.2  胶粘剂的特性

根据当前我国各项法律规定的更改，环保法规也做出了改变，严格度逐渐提升，环保型胶粘剂是以后合成胶粘剂发展的根本方向。

（1）氯丁胶粘剂，其性能优异、价格低廉、用途广，广泛用于建筑行业、制鞋工业等领域。氯丁胶中存在较多的有机溶剂，既有害也有毒，不仅如此，其与聚氨酯、软PVC等新型材料粘接性能差，现在正逐渐被聚氨酯胶和热熔胶替代。

（2）水性胶不含有机溶剂，无污染，是环保型胶粘剂，也是我国增长最快的胶种之一。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）单体乳液共聚物有其简称，即为VAE乳液胶，将其作为基础材料，再添加交联剂、增黏剂、填充剂、增稠剂等，使其通过工序形成VAE乳液胶粘剂。无害、固化速度快、湿黏性与初黏性高、无毒、贮存稳定、含醛量低、耐受性强、不易老化、使用安全方便、可粘接多种材料等都属于VAE胶粘剂的性能。

（3）热熔胶无污染、固化迅速、粘接强度大，便于包装、运输、贮存，属于环保型胶粘剂。在众多的传统熔胶中，聚酯类（PET）、聚酰胺类（PA）热熔胶的发展也是相当迅速的，不过传统的EVA热熔胶的发展速度还是不理想。例如热熔压敏胶的首要材料为SIS 树脂弹性体，其主要用于妇女卫生巾，老人和小孩尿布，双面胶带和商标等，备受青睐。

（4）聚氨酯胶粘剂是安全产品，也被认同为绿色产品，即不污染环境、安全可靠、易操作和改性、无毒、节能、不易燃烧，正是由于这些特点，使得其备受欢迎，在木材加工、建筑、造纸、织物、皮革涂饰等领域的应用范围变得更加广泛。

（5）有机硅胶及其改性胶粘剂具有良好的耐温性、耐化学试剂性、耐候性、耐老化性、无毒、电气绝缘性、抗伸缩疲劳强度高、永久变形小、防水性等优点，使得其在航空、通信、电子、建筑、机械等领域的涂覆、粘接、灌封工序中使用的范围越来越广泛。不仅如此，在航天领域中，一种被称为最理想的空间材料就在其中，即有机硅材料。

2  胶接技术

用胶粘剂连接两个物体的连接技术称作胶接技术。胶接技术可以产生一种粘合力，不过需通过胶粘剂的媒介在某个固体的表面上形成，是一个可以将不同种类与相同种类材料紧密连接的方案。在传统的飞机制造中，铆钉是金属板连接的媒介，并且铆钉的使用数量较大，但是胶接结构就不同了，因其具有结构轻、强度高、隔音、阻裂、减振等功能，使得胶接可以替换铆钉，这样还可以减轻其重量的1/4，成本也节约了大概1/5。胶接的连接方式是通过面积连接的，从而提高结构的抗疲劳性能，以及完善结构表面的气动特性。所以，在医学领域、航空领域、机电领域等，胶接技术都能够得到广泛的应用。

2.1  国内外胶接接头技术的研究现状

2.1.1  国外胶接接头技术的研究现状

在20世纪40年代末，Reissner与Goland对搭接接头的应力状态与胶层进行了分析研究。通过多次的研究得出的数据可知，胶层中的接头处有应力集中的情况，其应力主要为正应力和剪应力。在20世纪60年代末，Hofer和Kutscha论证了先进复合材料胶接工艺的可行性。此前，胶接工艺大多是靠经验来进行的，想要产品的性能可以以试验的方法来验证，那么就必须采用系统的理论方案来进行协助。因此，他们研究分析的入口主要从胶层厚度、胶接宽度、胶粘剂泊松比等开始进行，最终获得了以上因素对应力集中影响的规律。

在20世纪70年代初，单搭接头也得到了研究分析，其研究者为Hart-Smith，凭借其经验，对横向拉应力作出了假设，如果是这样的话，胶粘剂与胶接件则都属于弹性体，如果是剪应力，则为塑、弹性行为。Peppiatt和Adams对胶接接头的三维力学状态进行了研究，主要研究其接头宽度对应力变化的影响，并且还通过光弹测量技术进行了验证。在20世纪70年代初，Carver与Wooley通过有限元法，着重研究了单搭接头应力，并分析了搭接长度、弹性模量、胶层厚度对应力的影响，不过毛边的影响没有考虑到，根据理论研究和分析结果的差距来看，效果还是不错的。

2.1.2  国内胶接接头技术的研究现状

随着我国胶接接头技术的发展，Hart-Smith模型中正在逐渐摄入层间正应力，其代表学者为吴代华，他对胶接接头的研究进入了更深层次的推广，进阶到了二维阶段。在实际的理论研究中，纪东连等人主要针对接头设计与胶焊接技术进行了分析。

在复合材料胶接接头的形成与胶接接头内应力分析的具体内容中，沃西源等起到了关键性的作用。而殷勇等则主要针对胶焊连接接头的相关应力进行研究再分布的问题，通过三维粘弹塑性的有限元法来实现，不仅如此，还对材料选择的方向与相关接头的设计进行了分析。

2.2  胶接技术优缺点

2.2.1  胶接技术的优点

（1）胶接比焊接、铆接或螺纹等机械连接可减少质量25%～30%。由于胶接不用铆钉和螺栓，胶接件受力均匀，这种连接方式可大幅度减轻构件重量。

（2）胶接接头应力分布均匀，理论应力集中系数比较低，应力集中现象不像铆、焊和螺栓连接那么严重，还可以提高构件的疲劳寿命，减少薄板结构发生局部翅曲的现象。试验证明，飞机的某些构件由铆接改为胶接后，胶接的剪切强度高25%，疲劳寿命提高了3～10倍。

（3）胶接可以连接各种材料，选择的范围极为广泛。不仅适用于金属之间，而且在非金属材料之间，金属与非金属材料之间，以及木质纤维材料之间都能获得良好的连接。

（4）胶接连接能保证被胶接材料的强度。由于加工连接孔在胶接工艺中不使用，那么材料的有效承载横截面积则没有影响。胶接过程是在较低的温度下完成，最大程度保证了金相组织与焊接结构热变形的情况，可充分发挥材料的功能。

（5）抗耐腐、密封、耐水性、导磁、导电、绝缘等是胶接接头的优点。恰当的胶粘剂可以提高接头处灵活性，且其还会较美观。

（6）胶接工艺简便，胶接工艺可实现大批机械化和自动化操作，可以同时进行大面积的连接，节省劳动力，降低成本，提高了生产效率。

2.2.2  胶接技术的缺点

（1）影响胶接接头质量的原因有多种，涉及到胶接工艺条件、胶接材料、胶接的环境等。如果胶接接头在空气、高温、光、有机溶剂等环境中长期工作，那么一些胶层会出现老化的问题，并出现接头易碎、强度降低等现象，影响使用寿命。

（2）胶接使用温度低，胶接件胶接接头的强度随着温度的升高迅速下降，大部分都处于-50～150℃之间，部分耐高温胶粘剂才可以长期处于250℃高温干燥的环境中。

（3）胶接质量的重复性差，胶接性能的分散性高，致使其分散性大，一般在20%左右，点焊约15%，铆焊只有8%。

3  胶粘剂的发展方向

胶粘剂合成技术的提高，使其应用范围不断扩大，绿色胶粘剂的发展前景较好。以下是胶粘剂的发展趋势：

（1）变换成无溶剂型、水基型。原先的胶粘剂中有大量的甲苯等毒性物，安全性低，并影响人们身体健康，但是水基型的胶粘剂无毒，安全性高，这样一来，既可提高安全性，又可保护环境，成为了今后胶粘剂发展的首选。

（2）变换成零甲醛排放。甲醛毒性大，影响人体健康，采用调整配比等方法降低甲醛的排放量，使甲醛缩合系胶粘剂逐渐被替换，直至消失。

4  结束语

胶粘剂在我国各行各业以及一些尖端技术部门发挥着显著作用，需求量日益增加，生产出高质量、高品质、高性能、满足市场需求的好产品，成为我国胶粘剂生产厂家和科研单位迫在眉睫的任务。胶接技术应用范围和应用面积都呈增长趋势，在各个领域都有较好的发展前景。