在液体喷涂和粉末涂层之前使用结构粘合剂粘结金属| 2017-03-02

长期以来，结构粘合剂一直用于组装耐用产品的部件，如金属办公家具、暖通空调设备、卡车车身、金属门、农业设备、标志和建筑面板。在这些应用中，结构粘合剂通常取代焊接、点焊或机械紧固件(如螺栓、铆钉和螺钉)，为已经涂漆或涂覆到成品状态的金属组件提供高强度的粘结。

另一种制造方法是在液体喷涂或粉末喷涂工艺之前将金属部件粘合在一起，但这一过程对结构粘合剂提出了一些独特的挑战。除了在成品中提供持久、高强度的粘结外，固化的粘合剂还必须完成以下任务:

在侵略性和高温预处理洗涤循环中存活;
导电足够，对金属零件进行适当研磨，用于粉末涂料的静电喷涂;
接受液体涂料或粉末涂料本身与金属零件的最终颜色相匹配，是否有任何挤出或暴露的固化粘合剂的边缘;
具有足够的高温承载能力，使零件通过烤漆或烘箱保持在一起。

有某些类型的环氧树脂和丙烯酸结构粘合剂可以满足这些要求，它们可以实现更精简的制造过程，提供更坚固和更美观的最终产品。

胶粘接的优点

在制造金属组件时，有许多设计、性能和经济驱动因素促使工程师考虑使用结构粘合剂来取代热和机械连接方法。这些优势包括:

均布载荷:在剪切、拉伸和压缩力下，结构胶粘剂将施加的应力扩散到整个粘结区域，这有助于消除应力集中。大多数机械附件将零件连接在一个点上，在施加的力下，局部应力可以变得非常高。对于承受循环载荷的附件，这一因素变得更加重要，其中机械附件的高局部应力可以在每个循环中对粘合基材造成少量损伤，最终导致早期粘结失效。结构胶粘剂的这种均匀应力分布特征使其具有与金属组件中的热和机械附件相同或更高的强度(图1)。

图1:粘结强度比较

基质的完整性:大多数热和机械连接方法会在基板上产生一个孔，热降解或扭曲金属或去除保护涂层，从而损坏连接在一起的部件。这些动作会削弱基材的机械强度或降低其承受天气和环境条件暴露的能力。另一方面，结构胶粘剂与表面结合而不伤害部件本身。

减肥:由于结构粘合剂粘附在表面，也有可能减少粘合组件的厚度(因此重量)。与许多热和机械附着技术不同，粘附性不依赖于基材本身的机械强度，允许使用更薄的金属组件。交通运输业非常注重汽车、公共汽车和轨道车辆的轻量化，因为它具有节省燃料和减少排放的潜力，这使得结构粘合剂成为这些类型组件的绝佳选择。

同时粘合和密封:当应用在一个连续的珠周围的附件，液体结构粘合剂可以填补之间的间隙组装部件，并提供一个良好的密封，防止水或湿气入侵。热和机械附件通常需要一个单独的垫圈或应用密封胶，以提供足够的密封性能。

改进的外观:焊接角在成品中很容易看到，需要大量的劳动和混乱来磨平。点焊留下的草皮即使在喷漆后也能看到。螺栓、铆钉和螺丝在成品中仍然清晰可见。结构粘合剂隐藏在两个连接部件之间的粘合线内，消除了这些不必要的视觉附件，并留下更清洁，更美观的最终产品。

油漆或粉末涂料前的胶粘接

大多数结构胶粘剂粘合在成品部件上，因为涂漆的金属部件通常粘合在不同的基材上，如塑料、玻璃、木材或其他没有涂漆或涂层的材料。188金宝搏bet官网然而，当金属组件将接受相同的油漆或粉末涂层时，在涂装前(而不是涂装后)将这些部件粘合在一起有潜在的优势。这些优势包括:

改进的制造工艺:结构粘合剂可首先用于将裸露的金属部件粘合在一起，因此只需将一个组件(而不是多个单独的组件)置于喷涂过程中。任何外露的粘合剂边缘也会被油漆或粉末涂层覆盖，从而得到颜色更一致的最终产品。

Difficult-to-bond描绘:结构胶粘剂通常能很好地粘附于大多数涂料和涂料化学物质，包括环氧树脂、聚氨酯和聚酯配方。然而，有一些低表面能涂料(最显著的是含氟涂料，如基于PVDF的涂料)，大多数结构粘合剂不能很好地与之粘合。在涂装过程之前使用金属粘结结构粘合剂消除了对这些涂料粘附不足的担忧。

更强的债券:粘合剂粘合组件的整体强度不仅取决于粘合剂粘附在油漆表面的程度，还取决于油漆与下面金属的粘合程度，而金属也可能在其界面处失效。使用结构粘合剂粘合到裸露的金属组件(在喷漆之前)消除了这一额外的层，并直接与金属基材提供了极高强度的粘合。

结构胶的选择

有各种各样的结构粘合剂可供设计和制造工程师用于工业组件中的永久附件，包括从氰基丙烯酸酯即时粘合剂和可固化热熔粘合剂到热固化环氧薄膜粘合剂。虽然所有这些产品都有其特定的用途，但只有某些类型的双组份结构粘合剂在室温下固化，并具有出色的粘结强度、耐化学性和高温恒载保持力，以便在液体喷涂或粉末涂料之前良好地用于金属粘结应用。选择哪种粘合剂类型来考虑特定的应用取决于最终固化的粘合剂性能和制造过程中的易用性的权衡。这些胶粘剂家族包括:

增韧环氧胶粘剂:这些是高模量、高强度环氧结构胶粘剂，包括橡胶颗粒或其他冲击改性剂，可在冲击、振动和疲劳等动态应力下极大地提高胶粘剂的强度和耐久性。环氧胶粘剂对裸金属有优异的附着力，具有优异的耐环境和耐温度性能。这些产品最常用于重载金属组件中焊缝、点焊和机械紧固件的直接更换。然而，必须进行仔细的表面处理，以实现环氧胶粘剂的出色结合强度。这通常意味着对表面进行彻底清洁(用丙酮等溶剂)，以去除任何油脂、指纹或其他污染物，然后使用喷砂、砂纸或3M™Scotch-Brite™垫进行轻度磨损，然后再用溶剂擦拭以清除磨损碎片;或者，溶剂清洗之后的化学蚀刻也非常好。环氧胶粘剂的固化也相对较慢，因此在将粘接组件通过喷涂过程之前，必须允许结构胶粘剂有足够的时间来固化。在室温下，达到结构强度的典型固化时间可能从几个小时到一夜不等。查看3M™scot- weld™环氧胶粘剂DP420和DP460的技术数据表，了解增韧环氧结构胶粘剂的典型性能。

“金属粘结剂”丙烯酸胶粘剂:这些是高强度的亚克力结构胶粘剂，包括改性的原材料或添加剂，以抵消标准亚克力胶粘剂在某些裸金属表面(如钢和铜)上的潜在腐蚀性能(图2)。亚克力胶粘剂也是天然刚性188金宝搏bet官网的，因此适合高性能金属粘结的配方也应该通过加入橡胶颗粒或其他抗冲击改性剂来增韧。虽然这些产品的性能和耐久性可能略低于环氧结构胶粘剂，但丙烯酸胶粘剂为制造过程提供了一些显著的优势。根据所使用的特定金属和保护油，与丙烯酸粘合剂的结构粘结可能只需要很少或不需要表面处理。丙烯酸化学可以吸收防锈油和其他轻质油层，与底层金属形成结构粘结。虽然总是推荐前面讨论的表面制备技术，但丙烯酸胶粘剂对表面制备不充分或斑点的容忍度更高(图3)。在相同的工作寿命下，丙烯酸结构胶粘剂的固化速度也比环氧胶粘剂快得多，可以更快地提交到喷涂过程中。例如，工作寿命为10分钟的环氧胶粘剂可能需要4-8小时才能达到足够的粘合强度，以在粉末涂层烤箱中存活，而工作寿命为10分钟的丙烯酸胶粘剂可能在1小时内就可以开始使用。如果生产速度和在线库存减少是重要的，丙烯酸结构粘合剂可能是一个更好的候选人。查看3M金属粘结剂丙烯酸胶粘剂DP8407NS灰色的技术数据表，以了解增韧丙烯酸结构胶粘剂的典型性能。

图2:高温和湿度暴露后的强度保持。

图3:表面处理效果。

验证胶粘剂性能

进行了两个独立的实验，以确认这些结构胶粘剂在经过后续喷涂工艺的金属粘合组件中表现良好的能力:

恒载保持测试:使用弹簧加载夹具将重叠剪切试样置于不同的施加应力下，然后将其放置在400°F的烤箱中1小时。由于固化的结构粘合剂必须单独支撑悬挂在涂装线上的组件上的所有粘合部件，因此进行该测试是为了测量粘合剂在高温下能承受多少重量(图4)。这里讨论的两种类型的结构粘合剂表现良好，增韧环氧结构粘合剂至少承受200psi的剪切应力，而“金属粘合剂”丙烯酸结构粘合剂至少承受75psi的剪切应力。这意味着仅仅1平方英寸的粘合区域就可以通过400°F的烤漆烤箱支撑至少75磅的附着金属部件1小时。这应该足以支撑几乎所有的金属组件。

图4:油漆烤炉期间的恒载保持力。

粉末涂料试验:用结构胶粘剂组装扁平金属部件，并将其放入标准的粉末喷涂生产线，以确定胶粘剂是否能在预处理清洗循环中浸泡，是否能传导足够的电流对金属部件进行适当的研磨，以进行粉末静电喷涂，并在任何暴露的粘合剂边缘上接受粉末喷涂。预洗周期包括在150°F的碱性(pH=11)金属清洁剂中浸泡15分钟，在120°F的酸性(pH=4.5)磷酸铁涂层水溶液中浸泡5分钟。这个全析因实验包括两种不同的粘合剂(3M Scotch-Weld环氧粘合剂DP420米白色和3M Scotch-Weld金属粘合剂丙烯酸粘合剂DP8407NS灰色)，两种金属基材(铝和冷轧钢)，两种粘结线厚度(0.010“和0.035”)，以及三种不同的粉末涂层化学物质(环氧树脂，聚酯和聚酯TGIC)。固化的结构胶粘剂在清洗周期中存活下来，并成功地将金属部件粘合在一起。在除一种组合外的所有组合中，粉末都完全均匀地沉积在所有金属表面，从而形成一个漂亮的喷漆金属组件。一个存在粉末沉积问题的案例是使用增韧环氧胶粘剂的厚(0.035”)粘合线组件。在这种特定的配置中，环氧结构胶粘剂没有为粉末的正确分布提供足够的研磨。同样的粘合剂在更薄(更典型)的0.010“粘合线厚度上工作得很好，而“金属粘合剂”丙烯酸粘合剂在两种粘合线厚度上都能提供出色的涂漆产品。