化工設(shè)備生產(chǎn)中膠粘劑的應(yīng)用技術(shù)與前景

張偉崗

摘要：近年來膠接技術(shù)發(fā)展日益成熟，迅速發(fā)展完善的有機膠粘劑在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越來越廣，同焊接、機械連接共同構(gòu)成了當代主要連接技術(shù)，文章主要對膠粘劑技術(shù)在化工設(shè)備生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了研究，在介紹了國內(nèi)膠粘劑現(xiàn)狀（包括消費、生產(chǎn)等）的基礎(chǔ)上，闡述了化工設(shè)備生產(chǎn)中膠粘劑的實際應(yīng)用情況，并對包括氰基丙烯酸酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、輻射固化等在內(nèi)的主要膠粘劑產(chǎn)品進行了重點綜述研究進展。

關(guān)鍵詞：膠粘劑;化工設(shè)備生產(chǎn);氰基丙烯酸酯;應(yīng)用分析

中圖分類號：TQ437 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0009-03

不同種類的膠粘劑具備不同的功能（包括離溫、密封、結(jié)構(gòu)固化等），包括室溫固化膠、壓敏膠等工藝類型。異種及薄片材料通過膠合劑的使用實現(xiàn)相互連接，并能夠確保應(yīng)力在膠接處的均勻分布。環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、密封膠在制造及修理集裝箱中較為常用。合成膠粘劑包括主劑（即主料、基料或粘料）和助劑（包括固化劑、稀釋劑、填料、增稠劑、增塑劑、阻燃劑、穩(wěn)定劑、絡(luò)合劑等）。國內(nèi)的膠粘劑產(chǎn)量和消費規(guī)模不斷擴大，應(yīng)用范圍覆蓋了多個領(lǐng)域（包括制造、家具、建筑、汽車、電氣、包裝等），在化工設(shè)備生產(chǎn)中對設(shè)備及管道采用膠粘劑進行修復應(yīng)用廣泛（包括使用膠粘劑進行枯接密封及不停車堵漏），成為膠粘劑應(yīng)用的一個重點領(lǐng)域[1]。為順應(yīng)快速發(fā)展的科技趨勢及環(huán)保要求，對膠粘劑進行優(yōu)化和完善使其環(huán)?；⑺曰笆褂眯阅軡M足不同領(lǐng)域的使用需求已成為目前研究的熱點之一。

1 現(xiàn)狀分析

作為膠粘劑的生產(chǎn)和消費大國，國內(nèi)企業(yè)已具備了生產(chǎn)通用膠粘劑的技術(shù)能力（一些企業(yè)生產(chǎn)的高性能產(chǎn)品有自主知識產(chǎn)權(quán)），產(chǎn)品種類和質(zhì)量也在不斷創(chuàng)新完善，目前的膠粘劑生產(chǎn)及使用領(lǐng)域存在的主要問題在于。

1）膠粘劑行業(yè)市場集中度低，生產(chǎn)規(guī)模較大的企業(yè)大多分布于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，使膠粘劑使用及發(fā)展不均衡。

2）膠粘劑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不均衡，以中低端、低附加值產(chǎn)品為主，存在部分產(chǎn)品產(chǎn)能過剩的問題;創(chuàng)新力度不足，高端高附加值產(chǎn)品（芯片膠、風電用PU膠等）的技術(shù)水平有待提升，高端產(chǎn)品開發(fā)成本極高，缺乏綜合市場競爭力。

3）膠粘劑除了需具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，市場對膠粘劑產(chǎn)品的環(huán)保性能要求不斷提高，主要應(yīng)用領(lǐng)域（汽車、光電和包裝等）的大型企業(yè)對膠粘劑性能的要求不斷提高，國內(nèi)膠粘劑產(chǎn)品中占比較大的為溶劑型，日漸完善的行業(yè)標準及環(huán)保體系促使低溶劑型、水性產(chǎn)品成為未來膠黏劑的發(fā)展趨勢[1]。面對急需解決的技術(shù)、市場及環(huán)保等問題，膠粘劑行業(yè)企業(yè)需構(gòu)建并完善行業(yè)標準化水平（包括生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用流程等），加強技術(shù)創(chuàng)新，提升具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的市場競爭力，兼顧市場經(jīng)濟和環(huán)境保護，提升產(chǎn)品的環(huán)保性能，注重對高性能、環(huán)保型膠粘劑產(chǎn)品的研發(fā)，促進膠粘劑行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

2 化工設(shè)備生產(chǎn)中膠粘劑的應(yīng)用分析

實際化工設(shè)備生產(chǎn)中不可避免設(shè)備同腐蝕性介質(zhì)的接觸，強度及模量較高且耐熱的鋼材抗腐蝕性較差，非金屬材料雖大多不具備金屬材料的優(yōu)勢（尤其是物理機械性能）但在耐腐蝕方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，因此復合材料成為化工設(shè)備生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的材料（如蚊鋅、踱鋁、鋼襯塑料/橡膠玻璃、鋼涂涂料、搪瓷等）。傳統(tǒng)工業(yè)制造復合材料以機械方法為主（包括焊、釘、鉚、電艘法、粘接法等），但在連結(jié)金屬和非金屬方面粘接法效果更加，其中合成樹脂膠粘劑在化工中較為常用（如環(huán)氧、酚醛、環(huán)氧一聚酞胺、聚酯、合成橡膠等）。

2.1粘接技術(shù)的優(yōu)缺點

同質(zhì)或異質(zhì)的制件、材料通過使用膠粘劑或粘合劑（有機/無機、天然/合成）即可實現(xiàn)相互連接，膠粘劑屬于固化后具有較大強度的一類物質(zhì)，如包括硅/磷酸鹽等在內(nèi)的無機化合物;包括淀粉、天然橡膠、骨膠等在內(nèi)的天然高分子化合物;包括熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、聚胺酯等）、熱塑性樹脂（如聚乙烯醇縮醛等）及合成橡膠（如氯丁、丁腈橡膠）等在內(nèi)的合成高分子化合物。在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常需以具體使用要求為依據(jù)將輔助材料（包括增強劑、固化劑、促進劑、填料等）添加到膠粘劑中實現(xiàn)相應(yīng)功能[2]。同其它連接方法相比，發(fā)展迅速的膠粘劑的主要使用優(yōu)勢表現(xiàn)在以下4個方面。

1）粘接性不受材料性質(zhì)的限制，通過焊接及其他機械方法則難以有效連接不同性質(zhì)的材料（如金屬同玻璃、塑料、陶瓷間），使用膠粘劑即可解決這些問題。

2）剪切強度大，在使用膠粘劑粘接后負荷由整個粘接面共同承受從而增加了剪切強度。

3）粘接結(jié)構(gòu)重量輕且疲勞強度高，承受負荷狀態(tài)下應(yīng)力分布在粘接結(jié)構(gòu)的整個粘接面上，顯著提高了疲勞壽命。

4）可在禁火區(qū)施工，受到化學反應(yīng)自身限制，許多易燃、易爆物質(zhì)在化工設(shè)備生產(chǎn)過程較為常用，需停產(chǎn)置換后才可使用焊補，而使用膠粘劑則無需置換（部分粘補可不停車進行），顯著提高了經(jīng)濟性和便利性。目前粘接技術(shù)仍然存在一些問題，包括控制粘接質(zhì)量及后續(xù)粘接質(zhì)量的檢查的難度較大（缺少科學高效的無損檢驗方法），并且粘接的剝離強度較低，以有機高分子作為主要材料的膠粘劑存在老化及使用溫度受限的問題。在粘接不斷發(fā)展的過程中，需對不同的粘接工藝特點進行充分掌握，以便根據(jù)實際需要揚長避短，逐漸彌補膠黏劑的不足和向題。

2.2粘接性能的影響因素

2.2.1合理選擇膠粘劑

目前膠粘劑種類繁多，各自性能不同，對膠粘劑進行合理選擇成為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，實際化工設(shè)備防腐膠粘劑的選擇以樹脂的防腐性能、環(huán)境溫度為主要依據(jù)，例如聯(lián)堿部分可使用環(huán)氧、聚氨醋等膠粘劑，若設(shè)備和管道裸露在外，耐候性及彈性較差的環(huán)氧則不適用，可選用聚丙烯酸、改性氯化橡膠。傳統(tǒng)針對機械、法蘭等采用固體墊片的各類靜密封逐漸被液體墊片一膠粘密封的方式取代，對具體的使用部位選擇密封膠時需以其溫度、壓力、介質(zhì)、活動性等為重點考慮因素，厭氧膠適用于緊固密封微孔、軸承外套、螺絲等，如較為常用的不干性的MF-1、干性可剝型的厭氧膠609、半干性的603等，MF-1和603具備使用拆卸方便的優(yōu)勢，609則適用于高溫且無需經(jīng)常拆卸部位。修復設(shè)備時需兼顧使用部位的溫度壓力及接觸介質(zhì)，據(jù)此完成不同膠粘劑的選用（如耐水膠、油面膠、快干膠等），較高壓力情況下需進行機械加固。通過耐磨膠的使用可實現(xiàn)磨損機械尺寸的恢復[3]。

2.2.2表面處理

在使用膠粘劑前大多需對被粘物表面進行處理，是確保粘接成功的關(guān)鍵，被粘物表面的雜質(zhì)必須去除（包括鐵銹、雜質(zhì)、油污和水份），根據(jù)實際需要進行打磨以確保被粘物表面合適的粗糙度，如碳鋼在去銹后采用丙酮擦洗干凈，不銹鋼需先進行脫醋再分別使用濃鹽酸、30%的雙氧水、40%的甲醛和水進行處理后洗凈干燥，經(jīng)表面處理處理后更有利于膠粘劑粘接性能的充分發(fā)揮。對于部分如塑料、采四氟乙烯等的難粘的低能表面，為避免前期的特殊處理過程需采用專用膠粘劑，塑料（如聚烯烴、氯化聚醚等）需進行氧化處理。

2.2.3粘接方式與工藝

不同的粘接方式對應(yīng)不同的強度，通過前期合理設(shè)計粘接接頭可確保接頭以剪切力作為其所承受的大部分負荷，使減少剝離和劈開力得以有效減少或避免，從而防止層狀材料的剝離。

1）溫度和時間，除少數(shù)種類外（如丙烯酸醋類、環(huán)氧類）膠粘劑大多離不開加熱（為膠粘劑提供能量，促進分子間的交聯(lián)聚合）和固化（實現(xiàn)高內(nèi)聚強度結(jié)構(gòu)的形成）的操作環(huán)節(jié)，根據(jù)膠粘劑種類確定加熱溫度，合理范圍內(nèi)偏高的溫度通常有利于粘接強度（尤其是高溫環(huán)境下），初始時溫度上升速度通常較慢，當進行激烈的聚合反應(yīng)時需適當降低上升速度。緩慢的冷卻速度適用于熱處理后;溫度和時間是固化條件的重要影響因素，充分的膠層固化需確保充足的時間（注意過長時間會使生產(chǎn)效率降低），在一定范圍內(nèi)，提高溫度并縮短時間的效果可通過延長時間并降低溫度實現(xiàn)。室溫固化的膠粘劑其粘接強度同時間長度成正比，合理范圍內(nèi)溫度的提高可顯著縮短時間。

2）壓力，在粘接施工中施加一定的壓力可提高粘接強度，在壓力下膠粘劑會產(chǎn)生流動，固化粘接件時通過壓力的施加實現(xiàn)粘接結(jié)合面、接頭和膠層間的充分粘合，在順利進行浸潤滲透的基礎(chǔ)上使膠層或界面中的水分、氣泡得以有效消除，從而使膠層更加均勻緊密[3]。

3）膠層的厚度，隨著膠層厚度的減少粘接強度通常會有所提升，各類膠粘劑的適宜膠層厚度大多在0.05～0.25mm區(qū)間內(nèi)，厚度較大的膠層提高了增加界面上缺陷的概率，進而導致強度降低。受到熱膨脹系數(shù)差的影響，樹脂的內(nèi)應(yīng)力在加熱、冷卻時因發(fā)生膨脹、收縮而增大，從而使強度降低，因此需確保膠層厚度的合理。

3 主要膠粘劑研究進展

3.1 PU膠

PU膠在建筑、包裝、制鞋及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，目前存在高端產(chǎn)品不足的問題，為順應(yīng)市場及環(huán)保需求，PU膠正逐漸向水性化和高性能化發(fā)展，WPU膠粘劑（水性聚氨酯）的主要缺點為耐水和耐熱性差、固化速率慢、黏度小，為擴大其應(yīng)用領(lǐng)域需進行改性處理，目前以交聯(lián)、共混、共聚及助劑等改性方法較為常用，其中共聚改性研究以采用EP、有機硅、含氟化合物為主，例如，一種醫(yī)藥包裝WPU膠粘劑的制備方法，原料主要使用了異佛爾酮二異氰酸酯、二羥甲基丙酸等（郝小芳等）;將PU通過改性丙烯酸樹脂的使用完成改性過程后獲得的WPU膠粘劑的耐高溫性能得以有效提高（韋永好等）;將PU同丙烯酸酯、巴豆酸酯等發(fā)生反應(yīng)后完成了PU的水性分散體的制備，所獲取的膠粘劑具備熱活化及可重復使用的優(yōu)勢（Achten等）。高強度、耐高溫、阻燃是PU膠需具備的高性能，通過將磷酸三苯酯加入到二異氰酸酯一三羥甲基丙烷加成物水分散液中，完成阻燃耐水低揮發(fā)性產(chǎn)品的制備（張君俠等）[5]。

3.2 EP膠粘劑

EP在建筑、汽車、儀器儀表、熱水器等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的EP膠粘劑大多用于建筑行業(yè)，汽車及電子電氣行業(yè)仍依賴于進口，環(huán)保及高性能的EP膠粘劑是研究重點。經(jīng)過改性后的EP膠粘劑在擴大粘接基材范圍的同時，其韌性和靈活性得以顯著提高（如環(huán)氧聚氨酯、環(huán)氧丙烯酸酯改性等），例如，通過硅鈦預聚物接枝改性EP（主要使用鈦酸酯和二羥基硅烷獲?。┲苽涔桠亸秃细男訣P膠（王岳峰等），該產(chǎn)物具備較高的粘接強度（室溫下的剪切及剝離強度分別可達30MPa、3kN/m）及良好的熱老化性能;通過對EP膠使用有機硅進行改性實現(xiàn)了剪切強度的顯著增強（黃強等）;一種耐高溫磷溴型無溶劑EP膠也已成功制備（虞鑫海等）;一種凝膠時間可控的EP膠粘劑的制備實現(xiàn)了5min～24h的凝膠時間的控制，擴大了膠粘劑的應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

3.3輻射固化膠

該類膠粘劑在電子電器、光學、玻璃等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，輻射固化膠粘劑產(chǎn)品的性能有待提高和改進，重點方向為：提高附著力及內(nèi)聚力，降低空氣/濕氣敏感性，在縮小涂層厚度的同時使聚合物穩(wěn)定配向技術(shù)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膠粘劑的研制，通過紫外光照射該膠粘劑無需使用濕氣即可完成固化和封裝過程（黃戰(zhàn)光等）;通過一種引發(fā)劑體系復配膠粘劑（包括陽離子型及輻射固化白由基型，輔以適量丙烯酸酯高聚物）提高了粘接強度和耐候性，使現(xiàn)有技術(shù)中膠粘劑內(nèi)應(yīng)力不確定及耐久性差問題得以有效解決（陳云傳等）[5]。

3.4氰基丙烯酸酯膠粘劑

該膠粘劑在工業(yè)消費品、汽車、醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，因存在固化慢、強度及黏度較低等不足而需對氰基丙烯酸酯膠粘劑進行改性，漢高的樂泰435產(chǎn)品具有較高的剝離強度及較強的耐沖擊性。通過使用ASA作為增稠劑和增韌劑實現(xiàn)了在不影響膠粘劑固化速率的同時，膠粘劑耐熱/濕、抗老化性能的有效提高（聶聰?shù)龋?。通過由有機聚合物和氰基丙烯酸酯組成的膠粘劑的制備實現(xiàn)了該膠粘劑強度、水解及儲存穩(wěn)定性的有效提高，更加適用于空隙充填性粘接（Bachon等）[5]。

4 結(jié)語

作為一種新工藝技術(shù)粘接技術(shù)成本低、見效快、經(jīng)濟高效、節(jié)能環(huán)保，以粘料為主劑的膠粘劑能夠?qū)⒉牧希òㄍ惡筒煌悾┚o密結(jié)合在一起，同時需輔以使用其他助劑配制（包括各種固化劑、烯釋劑、增塑劑和填料等）。目前在工業(yè)及化工設(shè)備等生產(chǎn)領(lǐng)域中，除通過新材料的研制和使用實現(xiàn)設(shè)備防腐功能的有效提升外，對具備種類豐富、成本低且操作簡單等優(yōu)勢的膠粘劑進行推廣應(yīng)用已經(jīng)成為制造及檢修相關(guān)設(shè)備的有效手段，有利于設(shè)備泄漏問題的避免及使用壽命的延長。

參考文獻

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