用丙烯酸粘合劑進行結構粘合和修復

市場研究表明，結構粘合劑的使用將在未來幾年繼續顯著增長。無論是首次連接操作、維護還是維修操作，與焊接或傳統機械緊固相比，使用糊狀粘合劑具有許多優勢，包括易用性、耐環境性、密封性、應力分佈和連接不同材料。

但是，我們不能忘記，從加工的角度來看，液體或糊狀粘合劑會帶來一些挑戰。影響效率、生產力和盈利能力的主要問題是：

• 表面處理和底漆要求——為了實現最佳粘合，通常需要表面處理和/或底漆，這會增加整個過程的時間、勞動力和成本
• 粘合性能——通常很難找到具有與多種基材粘合能力的粘合劑；很多時候，庫存必須通過大量的粘合劑參考來增加
• 固化時間——通常很難找到能夠實現快速或最佳固化以提高生產率的粘合劑
• 運輸和儲存——例如，一些粘合劑屬於易燃類別，在運輸和/或儲存過程中存在風險，或者它們需要特殊且昂貴的條件
• 毒性特徵——當今市場上的幾種粘合劑呈現出不友好的毒性特徵，給操作員帶來風險並增加防護設備和專業處理設備的成本
• 員工的幸福感——員工的幸福感和滿意度經常受到刺激性或難聞氣味的影響，尤其是在需要額外安裝昂貴的緩解設備的封閉工作環境中

減少預鍵合操作
用於粘合的基材表面處理對於確定接頭性能極為重要。如果沒有適當的表面處理，即使是最好的粘合劑也不會產生耐用、高強度的接頭。表面處理清潔被粘物表面和/或在表面引入化學官能團以促進被粘物和粘合劑之間的潤濕和化學鍵合。

污染物包括油脂、灰塵和油；金屬表面也會被腐蝕產生的氧化物污染。使用的表面處理方法取決於被粘物的類別和表面污染物的類型。通常，表面處理可以是機械的、化學的、電氣的，甚至可以使用等離子、紫外光或激光進行表面改性。

表面處理方法都有一個共同點：它們很耗時，因此會對生產力和盈利能力產生負面影響。環氧樹脂或聚氨酯粘合劑極其依賴於表面處理質量，而甲基丙烯酸甲酯基粘合劑以其對許多受污染表面的“自清潔”作用而聞名。丙烯酸化學和配方1、2、3 的最新發展使粘合劑的設計在這方面通常更有效，減少或幾乎消除了表面處理的需要，以滿足高粘合性能。

    圖 1. 可以通過測量各種液體的潤濕角來評估表面污染。

減少庫存和復雜性
當必須在裝配線上或在維修操作期間粘合各種基材時，解決方案通常是增加粘合劑選擇的數量。由於更具創新性和雄心勃勃的設計，在同一車間粘合多種材料，特別是粘合不同材料的需求正在增長。此外，與傳統的機械緊固方法相比，這些設計導致粘合劑的使用增加，因為它們在連接複雜部件時具有多種優勢。

使用多種高度專業化的產品會增加庫存成本並增加供應物流、車間規劃和組織的複雜性。由於這些挑戰，創新正在推動提供多材料粘合能力的新產品。這對最終用戶意味著減少庫存中粘合劑的數量和類型的能力。

為了在涉及連接不同基材的應用中達到最佳粘合強度，必須考慮許多因素，包括：使用條件；聯合設計；固化約束；以及熱、電氣或機械目標性能。需要考慮的一個關鍵參數是基板之間熱膨脹係數 (CTE) 的差異。除了抵抗應用施加的不同應力（例如，衝擊、振動、剪切和環境）外，粘合劑接頭還必須能夠承受由於溫度升高或降低而導致的基板尺寸變化。在選擇粘合劑系統之前，必須考慮這些問題。

最近上市的丙烯酸粘合劑旨在提供與各種基材的兼容性，對金屬、複合材料和熱塑性材料提供強大的粘合力。這些粘合劑中的一些還表現出高韌性和/或柔韌性，以承受基材之間尺寸變化的重要差異，並且還將由於接頭中產生的力引起的疲勞或滯後失效的可能性降至最低。這種粘合劑1可用於許多不同的應用並替代多種專用產品，從而減少庫存、降低複雜性並最大限度地減少工人所需的培訓。

           圖 2. 典型的平均搭接剪切強度值 (MPa-ISO 457) 說明了最近一項發展的廣泛粘合範圍。 

優化設計和處理時間
在設計粘合劑應用時，優化接頭設計是一個重要的考慮因素。與機械固定的那些不同，粘合接頭為設計人員提供了專注於特定接頭在其預計使用溫度下預期承受的各種應力的自由。在設計過程中，必須特別注意機械和熱應力要求的潛在影響，特別是在動態粘合應用中。此外，在提出聯合設計時，必須考慮組裝、製造方法和成本因素。

為了方便設計人員的工作，材料模型提供了大量關於粘合劑的物理、機械和熱行為的信息。4 允許工程師實現快速和準確應用模擬的主要公開屬性包括拉伸性能、泊鬆比、斷裂韌性、熱膨脹係數、玻璃化轉變溫度、搭接剪切強度、T-剝離強度、固化密度、體積收縮率和肖氏硬度。這些特性為工程師提供了他們需要的數據，以預測設計參數和粘合劑特性對其項目過程和操作條件的綜合影響，幫助他們減少各自應用的時間和費用。

圖 3. 接頭分層過程中的應力局部化模擬。

在處理方面，兩個不同的時間相關因素很重要：應用時間和固化時間。應用時間，也稱為開放時間，對應於工人應用粘合劑並將其與要粘合的兩個基材接觸的時間。固化時間是指聚合所需的時間；它規定了允許操縱關節和/或在負載下使用關節需要多長時間。這兩個時間因素都會影響零件組裝以及維護或維修操作的生產率。對於丙烯酸化學，這兩種處理時間的各種組合的選擇正在擴大。

丙烯酸化學催化劑的最新創新使先進的粘合劑製造商能夠提供給定粘合劑的多種反應性，為最終用戶提供優化的加工時間，並有機會提高其裝配和維修操作的生產力，即使在苛刻的條件下也是如此。有兩個例子值得一提來說明這一趨勢。

第一個例子是丙烯酸粘合劑1，它具有超過 50% 的伸長率和對炎熱和潮濕環境的高耐受性。這種粘合劑提供 5 分鐘和 15 分鐘的開放時間，可用於各種應用，例如粘合主要和次要火車結構、中型內部鐵路客車部件、公共汽車和卡車部件、拖車上的大型面板、中小型內部零件，甚至船配件。

第二個例子是一種固化速度極快的丙烯酸溶液2，它能夠在潮濕條件下甚至在水/鹽水下在 -20°C (-4°F) 和 40°C (104°F) 之間固化。具有兩種不同反應活性（室溫下 1.5 分鐘和 5 分鐘適用期）的產品允許​​各種需要超快速反應或低溫或水下固化能力的應用。

此解決方案的動態應用程序可以在維護和維修領域找到，工程師必須考慮停機時間和資源利用因素，這些因素可能意味著損益之間的差異。在極端環境中處理這兩個變量需要經過精心校準的計劃和執行。例如，對於在極端條件下（例如 -20°C）維修風力渦輪機，維修和維護導致的停機時間直接影響渦輪機的效率和盈利能力。在這些條件下有效工作的能力是風能行業備受追捧的解決方案。

最大限度地減少停機時間是關鍵，但風電場充滿挑戰的環境需要高技能且成本高昂的技術人員在緊迫的時間窗口內工作。因此，越來越需要能夠“隨時隨地”按需完成維修工作，而不是在既定的維修季節。它們在具有挑戰性的環境中固化的能力使最近的丙烯酸粘合劑解決方案能夠幫助將風力渦輪機的停機時間減少 25-50%，並將總維修時間減少多達 90%。

圖 4. 在極端條件下有效工作的能力是風能行業備受追捧的解決方案。 （圖片由 Blade Solutions AB 提供。）

類似的應用也出現在船舶行業的維修作業中，其中存在濕度和極端溫度等具有挑戰性的條件。減少船舶停機時間至關重要。事實上，在許多情況下，船隻必須在維護週期之間在水中進行修理。因此，正確粘合劑的性能以及滿足所需固化性能的加工能力至關重要。

更安全的物流和運營商的福祉
丙烯酸粘合劑系列的最新發展之一 3 專注於解決與安全和工作條件相關的問題。標準甲基丙烯酸甲酯粘合劑的經常報告的缺點包括它們的強烈氣味和它們被歸類為易燃產品。第一個問題與配方中甲基丙烯酸甲酯單體的使用有關，而第二個問題與催化劑包的性質有關。

強烈和不舒服的氣味會影響工人的健康和滿意度，尤其是在封閉的工作環境中。此外，其中一些粘合劑被歸類為呼吸道刺激性物質，需要防護設備才能使用。這反過來會影響生產力、成本，更重要的是，影響員工的福祉。易燃分類還有其他後果，例如在特殊環境中的運輸和儲存。所有這些都會對成本產生負面影響。

最近上市的丙烯酸粘合劑3受益於單體的創新（消除甲基丙烯酸甲酯）和開創性的催化劑包。這兩項進步的實施導致了第二代丙烯酸粘合劑的出現，該粘合劑保留了第一代產品的所有優點，同時提供了額外的好處。這種粘合劑的氣味減少了 90%，不易燃，具有快速固化性能，並且有兩種開放時間版本。由於 50% 以上的伸長率，它顯示出高抗衝擊性和抗碰撞性，其更友好的毒理學特徵和不易燃分類有助於降低風險，以及隨後的運輸和儲存成本。

圖 4. 新型丙烯酸樹脂和標準 MMA 的比較。

可持續性考慮
由於創新有助於推動丙烯酸膠粘劑在用於結構膠粘劑的不同化學品中的市場份額增長，人們可以預期它們的可持續特性，特別是碳足跡將成為關注焦點。開發實驗室正在評估幾種新的生物基單體；如果技術上可行，它們的使用將有助於降低粘合劑的全球變暖潛能值（以千克二氧化碳排放量/千克製造粘合劑表示）。

今天，人們優先考慮通常稱為“第二代”的原料，主要是那些來源於木質纖維素的原料，即使它們在工業規模上的可用性目前遠低於第一代，也不與食品生產競爭。未來，與藻類生物質有關的第三代也肯定會與利用二氧化碳作為原料聯繫起來。

 除了生物基單體外，化學家和配方設計師也在尋找使用可回收化學品的可能性（由於即將出台的法規，如歐盟綠色協議），並評估通過使用生物來實施“質量平衡”概念的可能性- 由艾倫麥克阿瑟基金會建議的歸因原材料。不用說，丙烯酸化學和丙烯酸粘合劑即將出現許多偉大的事情。