结构粘合剂:机械紧固件的替代品

通过Craig McClenachan, Fabrico高级装配副总裁

结构胶粘剂，在液体和胶带格式，正承担着更重要的作用，作为机械紧固件的替代品，在一些行业。以下是你需要知道的应用这些粘合剂。

在北美交通运输行业，包括汽车和航空航天，结构粘合剂是一个12亿美元的市场，预计每年增长3%到4%。随着2020年CAFE(企业平均燃油经济性)法规的临近，塑料和复合材料替代金属部件也推动了结构粘合剂在交通应用中的采用。CAFE标准要求到2020年汽车平均每加仑汽油能跑35英里。

2010年，行业分析师对美国粘合剂行业的估值为110亿美元，年复合增长率为4%。持续增长最大的领域似乎是压敏胶粘剂，估计增长率为17%，以及结构胶粘剂，预计增长率为9%。

机械紧固件的位移已经持续了很多年;它们是劳动密集型的，而且通常比粘合剂更贵。尽管有些应用可能永远不会使用结构粘合剂，但据估计，近年来，平均每辆车68磅的粘合剂已经取代了201磅的机械紧固件。在航空领域，1972年空客A300使用了1%的复合材料和5%的钛。新的波音787使用了50%的复合材料和15%的钛，增加了粘合剂的使用来粘合这些材料。

结构粘合剂现在可以在一系列的行业中找到，包括运输，建筑，产品组装，医疗器械制造，电气和电子，以及国防。在这些行业中，应用可以包括门和外壳的法兰;窗口/玻璃附件;附件的组件;不同衬底的结合;身体/刚性板附件;以及吸振至关重要的发动机部件。

影响结构粘合剂采用的趋势
设计工程师有很多理由用粘合剂代替机械紧固件，包括

• 更高的能源成本推动重量减轻和燃料效率;
• 制造商希望降低成本，减少装配中的组件数量，提高生产率;
• 制造商希望通过消除过程变量来提高产品质量;
• 设计工程师使用不同的材料，如塑料、复合材料和新金属合金;
• 零部件变得更小更轻，机械紧固件设计空间更小，制造车间用于机械紧固过程的空间更小;
• 制造商自动化更多的过程，结构粘合剂更适应自动化过程。

结构胶的优点
结构胶粘剂一般被定义为“承重”胶粘剂。根据不同的应用，它们可以承受4000 psi甚至更高的重载荷。无论应用，结构粘合剂不会失效，当粘结接头的压力达到屈服点。结构粘合剂是其组件结构的一部分;它们的设计是为了满足整个总成的性能规格。

结构粘合剂可以包括丙烯酸、环氧树脂和聚氨酯。

丙烯酸的配方提供良好的附着力与金属，复合材料，和热塑性塑料。一般来说，它们是快速凝固和固化，并提供显著的生产力提高。

环氧树脂对金属和刚性基材(包括热固性塑料和复合材料)具有良好的附着力。环氧树脂以耐用、耐化学和耐温度、低收缩率而闻名。

聚氨酯和聚氨酯适合与热塑性塑料一起使用;由于它们的灵活性，它们可以很好地与更柔软、不那么坚硬的材料一起工作。

使用结构粘合剂而不是机械紧固件，可以将不同的材料以更高的重量负载组合在一起，并将应力均匀地分布在连接处。结构粘合剂不会对材料的完整性和强度产生负面影响——没有孔、铆钉或其他机械紧固件来削弱连接材料的结构。结构胶粘剂还可以产生更美观的设计，这是许多行业的重要标准，包括汽车、医疗设备和家电。此外，结构粘合剂可以填补基材之间的巨大缝隙，密封接缝，防止腐蚀和极端环境。它们也可以很容易地集成到自动化制造过程中，让您探索新的设计和最大限度地使用新材料。

在一个应用中，一个贸易展览会的显示器制造商正在寻找一种重量轻、耐用的解决方案，将铝铰链连接到聚丙烯板上。这些债券需要经得起极端的运输和装卸条件以及大量使用。我们建议并测试了具有粘结强度优势并允许不同材料连接的结构粘合剂，这是传统机械连接方法无法满足的要求。

也许结构粘合剂最大的优点是成本。这些粘合剂比人工密集型的机械紧固技术(如焊接、铆钉、螺钉或螺母和螺栓)成本更低。

当然，结构粘合剂并不适用于所有的应用。它们需要时间来固化和固定，应用可能会很混乱，它们必须正确处理，有时很难组装。

设计有效的连接接头
粘结接头主要有四种加载方式:

• 薄衬底面外载荷产生的剥离载荷;
• 由衬底上的拉伸、扭转或纯剪切载荷产生的剪切应力;
• 面外拉伸载荷产生的拉应力;
• 面外拉伸载荷作用在接头末端的刚性和厚衬底上产生解理载荷;
• 良好的基材和结构胶粘剂连接设计可以最大限度地提高拉力、压缩和剪切，最大限度地减少剥离和解理，并增加粘结面积——越宽越好。

其目的是设计一个接头，以保持胶粘剂在剪切或压缩状态，因为粘结接头是最强的在这些条件下。避免或至少减少张力、解理和剥离力。应力的存在会降低关节的强度和抗疲劳能力。重要的是要确保胶粘剂不是粘结中最薄弱的环节。结构胶粘剂以其相对较差的抗剥离应力而闻名，为了获得最大的粘结效率，接头必须设计成最小的拉应力。连接金属或复合材料接头的结构粘合剂的潜在失效模式包括:

• 粘结剂的拉伸、压缩或剪切破坏;
• 剪切或剥离胶粘剂;
• 复合材料近表面层的剪切或剥落;
• 剪切或剥离复合材料表面的富树脂层;
• 金属/粘合剂或复合材料/粘合剂界面粘接失效。

粘接失效是指胶粘剂粘结破裂，使胶粘剂与粘附物(基材)分离。粘接失效也可称为界面失效。当载荷超过胶的固有强度时，胶粘剂就会发生内聚失效。当载荷超过粘接强度时，被粘接(基材)就会发生粘接破坏。

良好的连接设计是结构粘合剂成功使用的关键。连接设计可以包括:搭接/重叠，双搭接，对接连接，围巾连接，带或双带连接，和圆柱形连接。接头设计应增加粘结强度。当应力集中在胶合线上，垂直力最小时，最好使用对接接头。丝巾接头适用于允许大接触面积的紧密部件。搭接和偏移搭接非常适合于连接薄的，截面的，刚性零件。在搭接接头中，粘合部分略有偏移。

当使用液体粘合剂时，一个光滑和一致的珠是重要的，以确保良好的粘结。过多或过少的粘合剂会导致不一致和潜在的问题。对于胶带系统，使用适当的压力是至关重要的，以确保胶带完全附着，并填补材料之间的任何间隙，特别是在加工材料之间。

转换器的作用
随着结构胶粘剂使用的增长，制造商正在寻找与转换商的合作伙伴，谁可以帮助他们选择最好的结构胶粘剂和材料的应用和制造过程。有经验的转换器可以:

• 分析材料和胶粘剂的应用要求;
• 推荐材料和粘合剂及供应商;
• 测试材料和胶粘剂;
• 为客户测试开发原型;
• 提供的制造能力。

转换器应该与客户的工程完全集成，包括2D和3D CAD设计能力，集成客户的电子图纸，以及在制造前进行彻底设计审查的快速原型功能。

此外，转炉应能够根据内部实验室测试对材料和粘合剂进行鉴定:

• 耐热性;
• 在高温极限下的性能;
• 抗剪、抗拉和剥离强度;
• 除气;
• 介电强度和导电性;
• 热导率;
• 分切宽度和公差。

对于结构压敏和其他胶带，转换器必须提供使用旋转或激光技术的精密模切、水射流切割和无模切。此外，精确的分切和复卷、层压和打印也是关键的能力。

对于液体，转换器必须能够提供包装/再包装以适应客户的制造过程，包括:

• 管子、墨盒、罐头和瓶子;
• 单组分和双组分墨盒;
• 液体、填料和溶剂的自定义混合;
• 精确的预混合，测孔，无空气材料;
• 液体分配系统;
• 调配、养护设备及耗材;
• 组装、装配和定制包装。

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