粘接雖然具有很高的剪切、拉伸和疲勞強度，但是剝離強度、沖擊強度和彎曲強度都比較低，有時還不能滿足高強度要求。為了更加牢固耐久，尚需采取增強加固措施，即所謂粘接的增強。
粘接增強的原理就是增大粘接面積、改善受力情況、承擔部分負荷、減少薄弱環(huán)節(jié)、防止剝離開裂，從而極大提高粘接強度與牢固耐久性。
粘接的增強意義頗大，對于滿足高性能的特殊要求，確實不可缺少。其增強措施有機械加固、粘貼織物、纏繞纖維、粘貼碳纖維片材、防止剝離、改變接頭的幾何形狀、表面進行化學處理或偶聯(lián)劑處理、加熱固化、消除內應力等。在實際當中究竟采用何種方法，是一種方法或是幾種方法聯(lián)合使用，應視具體情況和要求而定。下面對粘接增強的一些措施予以較詳細的介紹。
一、機械方法增強
機械方法增強實質上就是粘接與機械連接的并用，是一種混合連接方式。它能使接頭具有更高的可靠性，收到揚長避短、錦上添花的效果。
機械增強是最普通、最常用、最有效的方法，包括嵌波浪鍵、金屬扣合、鋼板增強、鑲塊、螺釘、鉚合、點焊、穿銷、套管、嵌入燕尾鍵、構織鐵絲網(wǎng)等。
（一）金屬扣合與波浪鍵
對于大型設備受力較大的裂紋、裂縫及損壞的修復，只用粘接不會牢靠，應當是粘接加上金屬扣合，修補才能牢固耐久，這就要用到波浪鍵或金屬扣（見圖7-14和圖7-15）。采用波浪鍵增強粘接的效果比較好，對機件壁厚大于8mm，承受1～6MPa壓力的機件裂紋或斷裂的修復，必須以一定數(shù)量的波浪鍵進行加固增強。波浪鍵制作比較復雜，一般并不常用。
波浪鍵的尺寸為：
頸部寬度 b=3～6mm；
凸緣直徑 d=(1.4～1.6)b；
凸緣間距 ι=（2～2.2）b；
波浪鍵厚度 t=-(1.0～1.0)b；
波浪鍵長度L 根據(jù)凸緣個數(shù)確定。
 波浪鍵的鍵數(shù)常用5、7、9等單數(shù)，使用時應將波浪鍵長短相間，即5與7或7與9個聯(lián)合交叉使用，以改善受力情況，提高修復質量。
波形槽深度為0.65～0.75mm，修復區(qū)域的機件厚度相鄰兩波形槽之間距約為30mm，鍵槽配合間隙為0.1～0.2mm。
波浪鍵大都用高強度合金鋼加工制成，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等低碳鎳鉻不銹鋼。加工波形槽應與機件裂縫的方向垂直。
在粘接扣合之前，應對槽內及波浪鍵的粘接部位進行適當?shù)谋砻嫣幚恚⑼可檄h(huán)氧膠黏劑，將波浪鍵嵌入槽內。金屬扣合特別適用于修復大型鑄件的裂縫，因為鑄件不易變形，焊補還會因應力集中而引起其他地方再裂。
（二）鋼板粘貼增強
鋼板粘貼增強很簡單，即在損壞的部位貼上一塊鋼板，用于受力較大的斷裂部位或孔洞，應力分布比較均勻，增強效果很好。
所用鋼板可為2～5mm厚的低碳鋼板（10～30號鋼），尺寸要比損壞部位大20～30mm。鋼板和損壞部位都要經(jīng)過適當?shù)谋砻嫣幚恚可檄h(huán)氧膠黏劑，疊合后再用螺釘或電焊加固。也可先用焊接或螺釘將鋼板固定在需要增強的部位，再以環(huán)氧膠黏劑封固。
（三）嵌入銷釘、螺釘、金屬套
可以增大粘接面積，起機械增強作用。具體做法是沿裂紋鉆孔、攻絲，帶膠裝入M5～M8的螺釘，兩螺釘間相互重疊1/4左右，然后鉚平。
對于折斷的工件，簡單的對接，受力即斷，可在外周或內孔鑲上金屬套而得到增強。見圖7-16。
 （四）鑲塊或嵌入燕尾鍵
如果損壞部位較大，又要求外觀平整，可采用鑲塊的方法帶膠裝入。再以點焊或螺釘固定，如圖7-17所示。
 對于受力較大的裂縫或斷裂的修復，可嵌入燕尾鍵，效果相當好，只是加工較復雜，如圖7-18所示。基中T為工件壁厚，t為燕尾鍵厚，b為燕尾鍵寬，b=3T，t=（1/3～2/5）T。
（五）點焊增強
對干鑲塊補洞或裂縫較長的粘接，可用點焊的方法沿四周加固增強，實質也是粘接與點焊的并用。點焊最好在環(huán)氧膠黏劑初固化后進行，點焊還可以加速環(huán)氧膠黏劑的進一步固化，點焊距離為30～50mm，焊后清理再涂膠覆蓋，以防腐蝕。
（六）構織鐵絲網(wǎng)
對于較大孔洞的粘接修復，可在斷面處鉆排孔，孔間距離為20～25mm，孔徑2～4mm，孔深7～12mm，在縱橫方向插入相應直徑的鐵絲構織成網(wǎng)狀，并涂覆環(huán)氧膠黏劑，貼上玻璃布或棉布，再用環(huán)氧膠黏劑填平。
二、粘貼織物和纏繞纖維增強
（一）粘貼玻璃纖維布
在經(jīng)過處理的被粘表面涂膠后貼上幾層玻璃纖維布，能夠增加粘接面積，提高結合力，防止膠液流失，保證膠層厚度，減小內應力，吸收沖擊能量。其結果是大大提高了剪切強度、剝離強度、沖擊強度、疲勞強度及耐久性，可以明顯地強化粘接性能。例如環(huán)氧膠黏劑脆性較大、剝離強度低，若是于環(huán)氧膠層中加入玻璃布，剝離強度可增加5～6倍。
粘貼玻璃布其實就是玻璃鋼加固，方法簡單，對粘接增強的效果非常明顯，確是值得廣為采用的好方法。
粘貼玻璃布的層數(shù)、面積、厚度要根據(jù)實際情況確定，一般為1～3層。層數(shù)太多，又硬又厚，容易剝離也不經(jīng)濟。
所用玻璃布應是無堿、無蠟、無捻的，厚度為0.05～0.15mm。玻璃布按堿金屬氧化物含量不同而分為無堿（E）、低堿、中堿（C）、高堿（A）玻璃布，其性能有很大差別。無堿玻璃纖維布含堿量＜1%，具有較高的力學強度和良好的電絕緣性、耐水性、耐老化性，因此，粘貼增強用玻璃纖維布應為無堿或低堿（含堿量2%～6%）類型，切勿用中堿（含堿12%左右）和高堿（＞15%）的玻璃纖維布。EW-210玻璃纖維布強度較高，而且對鋁合金不產(chǎn)生化學腐蝕。
玻璃纖維在拉絲過程中要加浸潤劑，我國常用石蠟型乳化劑，它是一種油質材料，使得具有高能表面的玻璃布變?yōu)榈湍鼙砻妫瞽h(huán)氧膠黏劑對玻璃布濕潤困難，有礙良好粘接的形成。因此，在使用之前應檢查一下玻璃布有無蠟脂，簡單的方法是在電爐上烘烤，冒煙者則表明有蠟存在。
如果是石蠟型玻璃布，在使用前應進行脫蠟處理，已有很多種方法，可根據(jù)實際條件進行選擇。具體方法如下所述。
①在燒熱的電爐上，將玻璃布慢慢反復拉過去，烤除表面上的浸潤劑，烤時會冒出一些白煙，至不冒煙時即表示蠟已除掉，大約1～2min，此時玻璃布呈現(xiàn)淡黃色。熱烤時切勿溫度過高、時間過長，以防玻璃布脆化。這是最簡單的方法，只是需要細心
②將玻璃布用肥皂水煮半小時，然后用自來水沖洗多次，晾
③將玻璃布浸入堿水或洗衣粉液（1.0kg水加洗衣粉約20g）中煮沸3～4h后，用清水漂洗，晾干即可。
④將玻璃布放入250～300℃的烘箱內，保持10～20min，烘烤時有大量的煙氣放出，必須注意排風，開大烘箱上的通氣孔。
如果在玻璃布脫蠟處理之后，再置入1%～2%的KH-550乙醇（95%）溶液浸泡，晾干后再粘貼，可得到更佳的粘接性能。
將南大-42偶聯(lián)劑（1份）與三乙醇胺（1份）混合液在高速攪拌下逐步加入100份水中，連續(xù)攪拌1h得到乳化液。將預熱過的玻璃布在上述乳化液中浸漬，取出后在120～130℃烘干，粘接強度極大提高。
脫蠟后的玻璃布很易吸水，最好是處理后立即使用，不宜放置太久。
在粘貼幾層玻璃布時，外層應比內層大，但不得超過應粘接面積的1.5倍。
根據(jù)實際需要裁剪玻璃布的大小，四周拉毛散開，使環(huán)氧膠黏劑易浸透。
在需要粘接的部位縱橫交錯均勻地涂上一層環(huán)氧膠黏劑，將已處理好的玻璃布平整鋪貼在上面，并用毛刷、輥子等工具將其壓實，趕走氣泡，一定要使環(huán)氧膠黏劑浸透玻璃布。然后再重復上層操作，直至達到要求層數(shù)。注意四周邊緣勿翹起、裂開，最后于表面再涂一層環(huán)氧膠黏劑，室溫放置固化或進行加熱處理。
也可將玻璃纖維布浸環(huán)氧膠做成增強帶，如SY-ZQ增強帶，纏繞固化，使用更方便。
（二）粘貼碳纖維布（片）
碳纖維是指纖維中碳含量在95%左右的碳纖維和碳含量在99%左右的石墨纖維，具有密度低、模量大、強度高、耐高溫、耐腐蝕、導電好、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性。200g（300g）碳纖維布的拉伸強度為4195MPa（3959MPa），彈性模量為2.6×105MPa（2.3×105MPa）、伸長率為1.65%（1.52%）。碳纖維布不僅能增強環(huán)氧膠黏劑，還具有導電性能。由于碳纖維表面的化學惰性和憎液性，致使粘接能力差，粘貼之間必須進行表面處理。已有很多處理碳纖維的方法，如硝酸氧化法、次氯酸法、溶液還原法、電暈法、等離子體法、聚合物涂層法、微波處理法、陽極氧化法、臭氧氧化法等。臭氧氧化處理就是由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體，在處理爐內對碳纖維進行表面氧化。陽極氧化是將碳纖維浸入5%的NH4HCO3水溶液中，以碳纖維為陽極，石墨作陰極，在電壓10V、電流2A條件下處理2min。用蒸餾水洗除表面電解質離子，100℃真空干燥2h。臭氧氧化法效果優(yōu)于陽極氧化處理。
以碳纖維布（片）代替鋼板采用改性氧膠黏劑對鋼筋混凝土建筑結構進行增強加固，是使樹脂與纖維材結合成一體，即是碳纖維增強塑料，達到對混凝土加固的目的。其優(yōu)越性凸顯，操作方便，質輕高強，且防腐耐久，增強效果更好?？蛇x用HCJ碳纖維膠黏劑（華東理工大學聚合物有限公司）。武漢大筑建筑科技有限公司有200g和300g碳纖維布供應。
也可粘貼棉布或維綸布進行環(huán)氧膠黏劑粘接的增強，棉布一定要用3%的熱堿液脫脂、水洗、干燥，否則難獲良好粘接效果。清潔干燥的維綸布可直接使用，如果是高溫固化，環(huán)氧膠還能與維綸上的羥基發(fā)生化學反應，粘接強度會更高。
（三）纏繞纖維
對于管或棒等圓形粘接接頭可帶膠纏繞纖維，最常用的是玻璃纖維，固化后成為玻璃鋼結構，增強效果非常好。還可用玄武巖纖維、多晶莫來石纖維等。
三、防止剝離開裂和層間分離
當薄壁構件與較厚板材粘接時，即平面粘接接頭，尤其是接近端部，對剝離力特別敏感，若受到橫向的剝離力首先容易脫開，并導致整個粘接縫的破壞。剝離通常是從膠層邊緣開始的，因此可以采取端部加鉚、卷邊、加寬、增剛等方法避免，如圖7-19所示。加鉚時鉚釘應靠近接頭頂端，鉚釘孔必須加大，并涂膠封閉，使端部以剛性約束，鉚釘起到防止膠層剝離的作用。
防止剝離破壞還有最簡單的方法是以薄的鋼片或鐵片（0.5～1.0mm）做成卡子，卡子成長方形，斷面為“U”形。卡于膠層邊緣處，可有效地防止剝離破壞。
粘接膠合板、纖維板、玻璃鋼、石棉板等層壓材料應防止受力后引起材料分層。如果平搭接，使表面層受到剪切應力，則會造成材料內部先分層破壞。因此，為獲得牢固的粘接，應采用斜接接頭，讓其縱向受力，避免層間分離。
 四、改變接頭的幾何形狀
改變接頭的幾何形狀，能夠大大提高粘接強度。對于平搭接，可以采取如下一些措施。
①將搭接接頭末端削成斜角形，可以降低膠層兩端剪切應力集中，提高結構承載能力。
②將接頭末端的材料去掉一部分，降低剛性。
③中間粘貼薄的柔性層，如玻璃布、維綸布、氨綸布等。
④在可彎曲處粘接貼板。
⑤使接頭末端彎曲。
⑥接頭末端內部削成斜角。
上述幾種形式如圖7-20所示。
 如果是對接接頭，需要增大粘接面積，提高橫向承載能力，可采用各種嵌接形式，見圖7-21。
 為使薄板粘接做得剛性更大些，通常采用凸緣接頭形式，通過增大粘接面積，增加凸緣柔韌性和增加薄板剛性，可提高粘接體系抗彎曲的能力，見圖7-22。
 五、降低或消除內應力
由于固化時的體積收縮和熱膨脹系數(shù)差異所存在于粘接體系內部的應力稱為內應力，內應力的產(chǎn)生來自于如下幾個方面。
（一）膠黏劑固化時的體積收縮
環(huán)氧膠黏劑因是化學反應固化，發(fā)生體積收縮是經(jīng)常存在的，當固化時，原來的范德華力結合變?yōu)楣矁r鍵結合，從微觀上看是分子間的距離縮小，反映在宏觀上必然是體積減小，密度增加，這種由于體積收縮而產(chǎn)生的內應力也稱為收縮應力。內應力削弱界面的黏合力是引起粘接強度下降的主要原因，會大大縮短粘接件的使用壽命?？梢哉f環(huán)氧膠黏劑固化時所產(chǎn)生的內應力是一種潛在的破壞因素。
（二）膠層與被粘物熱膨脹系數(shù)的差異
在固化和使用過程中，不同熱膨脹系數(shù)材料粘接在一起，當溫度變化時在界面上產(chǎn)生熱應力。如果熱膨脹系數(shù)差別較大，則有可能導致界面結合的破壞，不容忽視。
（三）膠層吸收水分發(fā)生膨脹
由于膠層吸收水分后引起體積膨脹，也會產(chǎn)生內應力。
（四）界面上氣泡和夾入空氣
粘接界面在工藝過程中如果處理不當而留下氣泡或空氣，同樣會引起內應力。內應力對粘接性能有著重要的影響，一般內應力大，粘接強度低；內應力小，粘接強度高。因此，應設法降低或消除內應力，可行的方法有降低環(huán)氧膠黏劑固化過程的收縮率，提高內應力的弛豫（松弛）速度，減小環(huán)氧膠黏劑和被粘物的熱膨脹系數(shù)的差異。具體的措施如下。
（1）采用零收縮粘接技術 引入膨脹性單體，例如環(huán)氧樹脂引入雙螺環(huán)化合物（SOC）膨脹單體，其與環(huán)氧樹脂形成共聚物時的體積膨脹可有效地抵消固化時的收縮，引起的總效應是不收縮、不膨脹。例如由3，3，9，9-四甲基-1，5，7，11-四氧螺［5，5］十一烷11（質量）份、鄰甲酚醛環(huán)氧樹脂45份、六氫苯酐36份、咪唑1份，混合成粉狀環(huán)氧膠，噴涂在電器上，140℃/2h固化，固化物收縮率為0%。應用零收縮的新型膠黏劑，能夠獲得無內應力的粘接。已有實驗證明，利用引入膨脹單體共聚，能使固化過程中的體積變化趨近于零，此時材料強度能達極大值。
（2）降低固化反應活性 固化反應的放熱溫度越低，內應力越小。固化溫度不宜過高，應取最低的起始反應溫度，延長凝膠時間，使大分子運動不致太激烈，以免造成過大的收縮率而使內應力增大。在凝膠化后繼續(xù)加熱固化，應采用階梯式升溫方式。
（3）在膠黏劑中加入活性增韌劑 粘接接頭中內應力分布是不均勻的，主要集中在邊角。加入脂肪長鏈并帶有活性基團的增韌劑，會在固化的體型結構中形成長鏈的韌性橋鍵，降低彈性模量，提高韌性和伸長率。上述的韌性體系能夠有效地傳遞固化收縮應力和溫差熱應力，加快內應力弛豫速度，使得內應力分布均勻，從而達到降低內應力的目的。
（4）加入無機粉末填料 環(huán)氧膠黏劑中加入適當適量的無機粉末填料，調節(jié)環(huán)氧膠黏劑與被粘物的熱膨脹系數(shù)盡量相近，可以降低熱膨脹系數(shù)、固化收縮率和放熱溫度等，這些都會使內應力減小。含有填料的固化物受到應力作用時，將均勻地傳遞到填料顆粒表面。由于填料承擔了大部分應力，起到了均勻分布應力的作用。又因粉末填料取代了一大部分體積的樹脂，可以有效降低固化后的收縮率，從而使內應力減小。
（5）固化后緩慢冷卻 加熱固化后不宜驟然冷卻，使體型大分子結構慢慢冷卻收縮，是降低內應力的重要工藝措施。
（6）后固化進行后固化，能夠增大內應力的弛豫速度，對于消除內應力的效果很好。
六、表面進行化學處理或偶聯(lián)劑處理
對于金屬的結構粘接，經(jīng)過化學處理后的粘接強度有明顯提高，例如鋁合金的粘接剪切強度經(jīng)簡單的脫脂處理后為18.5MPa，而采用化學處理之后則達34.3MPa?；瘜W處理即通過化學反應在金屬表面上生成一層難溶于水的非金屬膜，可以改善環(huán)氧膠黏劑與表面的結合力，從而極大地提高粘接強度。對于性能要求較高的粘接應盡量用化學方法處理，具體的處理方法本書第7章（7.4）已經(jīng)詳述，此不重復。
以偶聯(lián)劑對被粘表面進行處理是粘接增強的一種卓有成效的方法，操作方便，用量很少，效果顯著。例如以環(huán)氧-聚硫-聚酰胺膠黏劑粘接45#鋼，僅用一般脫脂，表面預熱40～50℃，粘接剪切強度為20.5MPa；而表面用KH-550偶聯(lián)劑處理后再粘接，其剪切強度高達30.5MPa。顯而易見，以偶聯(lián)劑進行表面處理，可使粘接強度大增。
表面處理所用的偶聯(lián)劑為1%～2%的非水溶液（常用乙醇）或水溶液，涂覆后要在室溫下晾干，再于80～100℃烘干半小時，也可涂覆后直接在80～100℃烘干1.5h，粘接效果都很好。
也有報道，偶聯(lián)劑處理的表面自然晾干后，鋼/鋼粘接的剪切強度可提高20%。
七、加熱固化提高交聯(lián)程度
為了獲得較高的粘接強度，一般需要加熱固化，其強度可提高50%～100%，這也是粘接增強的一種好方法。加熱固化有利于大分子進一步擴散、滲透、纏結，使化學反應更加完全，提高固化程度和交聯(lián)程度，減小蠕變，這些都能使粘接強度大幅增加?？傊訜峥墒构袒浞?，強度更增大（見表7-18）、粘接更牢固。
 八、應用納米材料增強
利用納米材料的獨特力學性能，既能增強、增剛、增韌，還可提高耐熱性，在環(huán)氧膠黏劑中加入少量的無機納米材料，可使粘接強度明顯提高。例如環(huán)氧膠黏劑中加入5%的納米SiO2時，粘接鋼的剪切強度為21.3MPa，提高23.8%；加入3%的納米SiO2時，沖擊強度為5.3kJ/㎡，提高23.5%。添加2.5%的納米硫酸鋇（10～50mm），沖擊強度提高73%，拉伸強度增加19%，伸長率增大82%。于環(huán)氧樹脂中添加5%納米TiO2，其拉伸強度比未加的提高485%。美國開發(fā)了一種新穎的納米增強劑“POSS”，是采用多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）技術合成的一種納米SiO2微粒，其特點是能溶于溶劑和樹脂中，確保實現(xiàn)分子分散，同時保持低黏度，當溶劑揮發(fā)或樹脂固化則形成納米結構起增強作用。碳納米管長徑比較大，具有優(yōu)異的力學性能，將碳納米管加入環(huán)氧膠中，固化之后強度大增，某些性能優(yōu)化，例如95%～99%的環(huán)氧樹脂與1%～5%的碳納米管混合后，固化產(chǎn)物的硬度比未加提高了3倍。
九、采用無機晶須強化
晶須是以單晶形式生長而成的直徑非常?。?～10μm）、原子排列高度有序、強度接近完整晶體的理論值、有一定長徑比（5～1000）的纖維材料，具有高強度、高模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特性，是優(yōu)良的增強材料。于環(huán)氧膠黏劑中加入少量晶須，如氧化鋅晶須、碳酸鈣晶須、硫酸鈣晶須、硼酸鋁晶須、碳化硅晶須等，便能既增強又增韌，還可提高耐熱性。 環(huán)氧樹脂 - www.rvwvr.cn -(責任編輯：admin) |