导读：胶粘剂的应用领域非常广泛，涉及到建筑、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。正是由于胶粘剂应用的广泛性，所以胶粘剂的种类数以千计，那么实际生产中，如何开发设计一款合适的胶粘剂呢?本文将从以下五个方面为大家简单介绍胶粘剂开发设计的基本原理和步骤。

　　一、胶黏剂开发设计的基础知识

　　二、胶黏剂开发设计原理

　　三、配方优化设计的方法

　　四、胶黏剂固化工艺的设计

　　五、改变胶黏剂性能的设计原则

　　在开发设计胶粘剂种类之前，我们先了解下关于胶粘剂的一些基础知识。

　　一、胶黏剂开发设计的基础知识

　　胶黏剂的定义：通过界面的粘附和物质的内聚等作用，能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质，统称为胶黏剂(adhesive)又叫粘合剂，习惯上称为胶。(通过黏合作用。能使被粘物结合在一起的物质)

　　粘结(粘合)：指两个表面靠化学力、物理力或者两者兼有的力使之结合在一起的状态。

　　胶黏剂首先必须在被粘物表面粘附，这是由于两相之间产生粘合力，该力来源于次价键力或主价键力。

　　内聚：即单一物质内部各粒子靠主价键力(包括离子键、共价键、配位键、金属键等)、次价键力(包括范德华力、氢键)结合在一起的状态。胶黏剂的内聚力与分子间力、相对分子质量、交联程度、结晶和分子缠绕等因素有关。

　　胶黏剂的要求：

　　1：不论出于何种状态，当涂布时都应呈液态

　　2：对被粘结物表面能够完全铺展，充分润湿

　　3：必须能够通过某种方式而使液体转变为固体或凝胶状态，形成坚韧而稳定的胶层

　　4：固化后应有一定的强度。能够可靠的连接，传递应力，抵抗破坏

　　5：可耐 0℃以上的温度，并经受一定时间的考验

　　1.1胶黏剂的分类

　　1.1.1：按照外观分类

　　1：溶剂型

　　2：乳液型(水性)

　　3：膏状或糊状

　　4：固体型

　　5：膜状型

　　1.1.2：按照固化方式分

　　水基蒸发型、溶剂挥发型、热熔型、化学反应型、压敏型

　　1.2胶黏剂的基本组成：

　　胶黏剂的组分包括基料、固化剂、溶剂、增塑剂、填料、偶联剂、交联剂、促进剂、增韧剂、增粘剂、增稠剂、稀释剂、防老剂、阻聚剂、阻燃剂、引发剂、光敏剂、消泡剂、防腐剂、稳定剂、络合剂、乳化剂。

　　1.2.1 基料的种类：

　　基料是胶黏剂的主要成分、主剂或主体聚合物，起粘合作用。按照化学的成分的不同，基料的来源有无机化合物和有机化合物。有机化合物是高分子合成类的高分子基料。

　　1.2.1.1常用的有机化合物

　　热固性合成树脂：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯和丙烯酸树脂。

　　特点：低相对分子量的高聚物或预聚物制成胶黏剂后，在使用过程中通过加热或加入固化剂，或两者均有的条件下，固化成为不溶或不熔的网状高分子，其特点是施胶时胶液易扩散渗透、固化后粘结强度高、韧性好、耐蠕变性、耐热性好。但是热固性树脂胶黏剂固化过程中易产生体积收缩和内应力，使粘结强度下降。可以加入填料等改性剂加以弥补。

　　热塑性合成树脂：橡胶类基料、天然高分子材料、水性胶乳类

　　特点：高相对分子质量的高聚物或预聚物，但是相对分子质量不能太高，否则在施胶时，胶液不易扩散渗透，主要应用在对粘结强度不高的场合。

　　橡胶类基料胶黏剂：

　　橡胶的特点：高弹性、粘结时成膜性能良好、胶膜富有柔韧性、具有优异的耐屈绕性、抗震性和蠕变性能，适用于动态下部件的粘结和不同热膨胀系数材料之间的粘结，

　　常用的橡胶有：天然乳胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、SBS等

　　1.2.1.2胶黏剂基料的选择原理

　　根据胶黏剂应用的对象、应用的场合及应用的性能选择。同时分子基料的分子结构与粘结性能的关系甚为密切。

　　1：高分子材料的极性

　　含有极性基团的基材胶黏剂对极性材料的粘结性能较好，而对非极性材料较差;反之相同。

　　2：高分子材料的结晶性能

　　适当的结晶性能能够提高高分子材料本身的内聚强度和粘结力，有利于粘结。但是结晶性能太高，分子中的极性基团受束缚，不利移动，其溶解性能也差，粘结性能变差

　　3：高分子材料的分子量

　　分子量小，分子的活动能力和胶液对被粘材料的湿润能力强，但是太小，材料的内聚力太低，造成粘结强度偏低。一般选择分子量较为均匀的树脂。

　　1.2.2固化剂(硬化剂)

　　使基态原料通过化学反应，发生聚合、缩聚或交联反应转变为线性高聚物或者网状高聚物，是胶接接头具有力学强度和稳定性的物质。

　　固化剂的选择：

　　1：最好是液体的无毒、无色、无味的物质

　　2：固化剂与被固化物反应要平稳，放热量少，以减少胶层的内聚力

　　3：耐热性，选用分子中具有反应基团较多的固化剂

　　4：韧性，选用分子链较长的固化剂

　　1.2.3胶黏剂溶剂

　　指能够降低某些固体或者液体分子间力，而使被溶物质分散为分子或离子均一体系的液体，常用的溶剂为低粘度的液体物质。

　　主要有脂肪烃、芳香烃、卤代烃、酯类、醇类、酮类、酸类、醚类、萜烯烃、酰胺类和水类。

　　但是多数的有机溶剂有一定的毒性、易燃性、易爆性、对环境有污染、对安全又隐患、对人体有危害。

　　作用：

　　1聚合反应的介质：是反应缓和、温度易于控制、

　　2 溶解基料：制备溶剂型胶黏剂

　　3：稀释剂：稀释胶黏剂使其达到一定的黏度，有利于湿润、便于涂布

　　4：调节胶黏剂的挥发速度

　　5：防止凝胶，用来增加贮存稳定性

　　6：粘结前的表面清洁处理剂

　　7：直接粘结，某些塑料

　　8：降低成本、提高效益

　　选择

　　1：极性：选择与基料极性相同或相近的溶剂(相似相容的原理)

　　2：溶解度参数(与极性有关):溶剂的溶解度参数和高分子基体的溶解度参数相近

　　3：溶剂的挥发性：选择挥发度适当的溶剂或快慢混合的溶剂

　　溶剂挥发太快：胶液表面易成膜、膜下溶剂不易挥发;挥发是一个吸热的过程，太快胶膜表面的温度降低而凝结水汽，影响粘结质量溶剂挥发太慢：表干时间慢，影响工效

　　溶剂的选择要考虑到价格、毒性和来源

　　1.2.4增塑剂

　　是一种降低高分子化合物玻璃化温度和熔融温度，改善胶层脆性、增进熔融流动性的物质。

　　作用：

　　1：屏散高分子化合物的活性基团，减弱分子间作用力，从而降低分子之间的相互作用

　　2：增加高分子化合物的热性、延伸性和耐寒性，降低其内聚强度、弹性模量及耐热性。

　　选择：

　　1：极性：极性大小影响增塑剂与主体材料的相容性，其原理同溶剂作用。

　　2：持久性：由于渗出、迁移、挥发二损失影响胶的物理机械性能。选择高沸点的或高分子量的增塑剂

　　3：分子量及状态：分子量越高，粘结强度越好

　　常用的增塑剂：邻苯二甲酸酯、磷酸酯类、己二酸酯和癸二酸酯等

　　1.2.5填料

　　在胶黏剂中不与基体起化学反应，但是可以改变其性能，降低成本的固体材料

　　常用的填料分为有机填料和无机填料：

　　有机填料：改善树脂的脆性、吸湿性高、耐热性能低

　　无机填料：使胶的相对密度增加、脆性增加、但耐热性、介质性能、收缩率等都会有所改善。

　　填料的选择：

　　1：无活性与胶黏剂的其他组分不发生反应

　　2：分散性好与基料有良好的润湿性

　　3：不含水分、有害物质、油脂，无吸湿性

　　4：颗粒均匀。无毒

　　5：来源广泛、加工方便、价格低廉

　　6：填料的密度与基料的密度不能相差太大

　　7：用量适宜

　　常用的填料：二氧化硅、碳酸钙、碳酸镁、铝粉、酚醛树脂等

　　1.2.6偶联剂

　　能同时与极性物质和非极性物质产生一定结合力的和化合物，其特点是分子中同时具有极性和非极性部分的物质。

　　常用的偶联剂有有机铬偶联剂、有机硅偶联剂和钛酸酯偶联剂。

　　在胶黏剂中常用的是硅烷偶联剂。

　　偶联剂的作用

　　1增加主体树脂

　　本身的分子间的作用力，提高胶黏剂的内聚强度

　　2增加树脂与被粘合物之间的结合，起了一定的架桥作用。

　　不同的偶联剂具有不同的反应基团，反应基团不同对粘结性能的影响也不同。

　　1.2.7其他助剂

　　引发剂：在一定的条件下能分解产生自由基的物质，一般含有不饱和键的化合物中加入引发剂，常用的引发剂有过氧化二苯甲酰、过氧化环己酮、过氧化异丙苯、偶氮二异丁氰等

　　促进剂(催化剂)：能够降低引发剂的分解温度或加速固化剂与树脂橡胶反应的物质。

　　防老剂：能延缓高分子化合物的老化的物质，对于高温、暴晒下使用的胶黏剂由于容易老化变质，在配胶时加入防老剂

　　增稠剂：粘度低的胶黏剂，增加使其粘度增加的物质

　　阻聚剂和稳定剂：阻止或延缓含有不饱和键的聚合物、单体在贮存过程中自行交联的物质(对苯二酚)

　　1.3胶黏剂的选用原则

　　1.3.1根据被粘材料的化学性质进行选择胶黏剂

　　A. 被粘材料的分子结构选择(基团的类型)

　　B.被粘材料的极性选择

　　极性的大小有分子结构的正负电荷中心重合程度决定的。

　　强极性材料：金属、剥离、陶瓷、云母和含有极性基团(-OH、-NH2 、-COOH、-CN、-CO-NH2 、-SH)的聚合物选择极性胶黏剂

　　极性材料使用胶黏剂：酚醛 -丁腈胶、酚醛-缩醛胶、环氧胶、丙烯酸聚酯、无机胶、聚氨酯胶、聚酰亚胺胶、不饱和聚酯胶、氯丁-酚醛胶、脲醛树脂胶、聚乙烯醇胶、聚醋酸乙烯乳胶、

　　非极性材料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、硅树脂、硅橡胶、和含氟聚合物

　　非极性材料使用胶黏剂：聚异丁烯胶、EVA热熔胶、聚氨酯胶、丙烯酸聚酯胶、有机硅胶、硅橡胶

　　弱极性材料：有机玻璃、聚碳酸酯、氯化聚醚、聚氯乙烯、 ABS、天然橡胶、丁苯橡胶

　　弱极性材料的使用的胶黏剂：聚氨酯胶、丙烯酸聚酯胶、氯丁胶

　　C、综合考虑被粘物的种类和性质选择胶黏剂

　　对被粘物了解的越透彻、选用的胶黏剂会越合适、粘结的效果会越好。

　　D、根据被粘材料的结晶性选择胶黏剂(被粘结物多属于结晶材料)

　　在粘结强度要求不高时，结晶聚合物可选用非极性或弱极性材料的胶黏剂对粘结强度要求高的时候，被粘材料经适当的表面处理后，可选择极性胶黏剂

　　1.3.2、根据被粘材料的物理性能进行选择胶黏剂

　　A根据被粘材料的表面张力选择胶黏剂

　　胶黏剂的临界表面张力应小于被粘材料的临界表面张力(浸润性决定作用)

　　B 根据被粘材料的溶解度参数选择胶黏剂

　　二者的溶解度参数差不应大于 0.5

　　C 根据被粘材料的脆性和刚性选择胶黏剂

　　质地硬脆的材料：选用强度高、硬度大切不易变形的热固性胶黏剂。

　　环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯等胶黏剂。

　　坚韧、强度高的刚性材料：选用强度高、冲击强度好切剥离强度也好的胶黏剂。

　　热固性树脂和橡胶复合型胶黏剂(酚醛-丁腈胶、酚醛-缩醛胶、环氧-丁腈胶)

　　D 根据被粘材料的弹性和韧性选择胶黏剂

　　弹性形变大的材料：选用有相应的弹性和韧性的胶。如氯丁橡胶、聚氨酯胶、氯丁-酚醛胶

　　质地柔软的材料：选用韧性优良的胶黏剂(氯丁橡胶、聚氨酯、聚乙烯醇缩醛、聚醋酸乙烯等胶黏剂)

　　1.3.3根据胶黏剂的效能选择胶黏剂

　　胶黏剂的性能指标：状态、粘度、适用期、固化条件、使用温度、粘结工艺、粘结强度、使用温度、收缩率、膨胀系数、耐腐蚀性、耐水性、耐油性、耐介质(水、酸、碱、油、溶剂)、耐老化性能等

　　1.3.4根据接头的功能要求选择胶黏剂

　　接头的功能：机械强度(拉伸、剪切、剥离强度等)

　　耐热性能：200℃以下

　　耐油特性、耐水特性、光学特性

　　1.3.5根据许可的固化条件选择胶黏剂

　　固化过程的温度、压力、时间是影响粘结强度及其他性能的三个主要因素。

　　1.3.6其他因素

　　A:粘结的目的与用途

　　胶黏剂具有连接、密封、固定、定位、修补、填充、堵漏、嵌缝、防腐、灌注、罩光以及满足某种特殊要求等多种功效。

　　B：粘结件受力的情况

　　外力：拉伸、剪切、撕裂、剥离四种力，力的大小、方向、频率、时间。

　　C:粘结件的使用环境

　　温度、湿度、介质、真空度、辐射计户外老化

　　D:工艺的可能性

　　粘结工艺：室温固化、加热固化、加压固化、加热加压固化、固化时间的长短

　　E:考虑是否经济和来源难易

　　1.4胶黏剂的粘结工艺

　　粘结的一般工艺程序

　　确定被粘结物——选择胶黏剂——表面处理————配胶——涂胶——凉置——粘结——固化——检查——整修

　　1.4.1表面处理

　　改变被粘结物表面不利的粘结状态。

　　表面处理法法：机械处理、物理处理(火焰处理、放电处理、等离子放电) 化学处理(酸碱等化学处理剂)、辐射接枝处理

　　金属材料的表面处理：

　　1：除油(碱液、有机溶剂、电解、超声波)

　　2、除锈(化学侵蚀、电化学侵蚀)

　　表面处理的检验(水膜)

　　表面处理的有效时间

　　1.4.2配胶

　　单组份直接使用

　　双组分：按照比例进行配胶。A、B成分相对误差不超过 2~5%

　　1.4.3涂胶

　　涂胶遍数(1 、2~3)、涂胶量(0.08~0.15mm)、涂胶方法(刷涂、喷涂、浸涂、注入、漏涂、滚涂、刮涂等)

　　1.4.4凉置

　　使溶剂蒸发、粘度增大、促进固化

　　溶剂胶(3~5min)

　　1.4.5粘结

　　粘结后以挤出微小胶圈为好，表示不缺胶。

　　1.4.6固化

　　初固化、基本固化、后固化

　　固化因素：固化温度(室温、低温、高温)、固化压力、固化时间

　　1.4.7检查

　　目测法、敲击法、溶剂法

　　1.4.8：修整