建築膠

在土木用膠黏劑方面,現代土木建築領域的顯著特徵在於建材的多樣性與輕質化趨勢,施工流程日益規範及建設週期顯著縮短,同時對抗地震、風蝕等自然災害的能力提出了更高要求,並注重建築的便捷維修保養。在此背景下,環氧樹脂建築膠應運而生,完美契合了現代土木建築發展的核心需求,近十多年來實現了迅猛發展。

環氧樹脂建築膠的研發方向聚焦於低毒性、高適應性及高性能。它能在各種特殊環境下(如潮濕表面、水下、油漬表面及低溫條件)實現有效固化,同時滿足室溫固化的便捷性。在強度上追求高強度以滿足結構需求,在彈性上則力求高彈性以適應複雜多變的應力環境。其應用範圍亦不斷拓寬,從最初的新舊水泥粘合、建築裂縫修補等單一用途,逐漸擴展至基礎結構加固、地面處理、室內裝潢、結構件組裝乃至給排水系統等多個施工領域,成為現代土木建築不可或缺的重要材料之一。

港工混凝土潮差及水下部位修補膠方面,港工混凝土及鋼筋混凝土建築物在長期使用中受自然條件、超載作用及施工不當影響,經常會引起局部構件損壞,必須及時修補。在潮差及水下部位修補時膠黏劑必然接觸水,首先要解決環氧樹脂遇水乳化、胺類固化劑溶於水遭損失的問題。瀝青及焦油都是憎水材料,當環氧樹脂中加入適量的瀝青或焦油時,可對樹脂的極性基團起到保護作用,同時也可減少固化劑的溶出,保證環氧樹脂的固化,使之在潮濕或水下對混凝土具有一定的粘接能力。港工混凝土潮差及水下部位修補膠一般採用環氧樹脂/瀝青(焦油)膠黏劑。

水利工程用潮濕面及水下修補膠方面,水利工程中的渠道渡槽混凝土構件開裂、隧道由於磨損和大氣浸蝕造成的破壞、混凝土壩廊道的滲漏、引水閘門上粘貼軌等,要做到無水乾燥下維修是困難的。在這一類修補膠中大都採用環氧樹脂-聚硫橡膠體系(以下簡稱環氧-聚硫膠)。環氧樹脂膠黏劑在土木工程中應用時常遇到冬季氣溫下降至10℃以下甚至0℃,膠黏劑固化緩慢、黏度太大無法施工的問題;即使在室溫25℃左右需要快速固化定位粘接時,通常膠黏劑由於在膠黏面僅零點幾克固化發熱量小,也無法在幾分鐘完成粘接。目前國內外在這種膠的研制中都採用高反應活性固化劑和環氧樹脂。

混凝土細裂縫灌漿補強膠方面,港工混凝土建築物常常出現一些寬窄不同及深度不一的裂縫,影響了結構物的正常使用和壽命,需要補強以恢復其整體性。一般情況下補強後的港工混凝土其拉伸強度應不低於2MPa。尤其是對於發生在碼頭潮差部位或船塢泵站的承壓水作用部位的裂縫,其補強必須在潮濕狀態下或壓力水作用下進行,對於細縫補強則更加困難。這不僅是普通水泥灌漿所不能解決的,即使是一般的化學灌漿也是從材料到工藝都難於完全滿足要求的。環氧樹脂型膠黏劑具有高強度、耐水等優良的綜合性能,但作為灌漿補強膠需要解決黏度高、憎水性及脆性大、伸長率低等問題。港工建築物多處於水下及潮差部位,混凝土裂縫灌漿後不但強度要滿足要求,還要求具備良好的防滲性能。在裂縫補強灌漿中,有些建築物如船塢、泵站等多處於地下水位之下,故要求能在一定水壓下灌漿及固化。

建築結構膠黏劑方面,隨著建築工業的發展及膠黏劑研究開發工作的深入,建築結構膠現已作為一種新型的結構件粘接材料及裝修用材料應用於建築施工中。產品大量應用於各種構件的粘鋼加固,包括修復橋樑、老廠房的梁柱缺損補強、柱子接長、懸臂梁粘接、水泥樁頭接長、牛腿粘接等。建築結構膠黏劑的成分主要包括:樹脂採用低分子量雙酚A型環氧樹脂;增韌劑採用聚硫橡膠、聚醚、聚酯、丁腈橡膠等(用聚硫橡膠改性後的環氧膠在公路橋樑上粘接鋼梁後進行疲勞試驗,在動荷載作用下經300萬次疲勞試驗無損壞);固化劑採用改性胺、改性聚酰胺(如長碳鏈液體胺類)、可在潮濕面固化環氧樹脂的酮亞胺,再輔以固化促進劑、偶聯劑等。

電子用膠

電子、電氣用膠黏劑包括電氣絕緣膠黏劑和導電膠黏劑,導熱、導磁膠黏劑等。導電膠是一種具有一定導電性的膠黏劑,固化或乾燥後可以将多種導電材料連接起來,使新連接的部分形成電的通路。當今電子產品繼續向著微型、扁平、高靈敏、高可靠性方向發展,大量使用難以用鉛鋅合金焊接的材料及耐熱性不高的高分子材料,在製造和裝配過程中以往的焊接方法會引起零件變形、接頭不牢、性能下降等問題,而用導電膠進行粘接就可以解決上述問題。

導熱與導磁膠黏劑作為一種多功能材料,結合了優異的热傳導與磁導率特性。其導熱性能的實現主要依賴於金屬粉末(如銀、銅、鋁)或特定無機物(如石墨、炭黑、氧化铍)作為填料。經濟考量下,鋁粉因成本低廉且輕質常用作導熱填料;而在需確保電絕緣性的場合,氧化铍則成為優選,廣泛應用於電機、電器部件及電工陶瓷的粘合中。導磁膠黏劑則側重於提升磁性元件連接處的導磁效能,其核心填料常為羰基鐵粉,適用於變壓器鐵芯、導磁棒等部件的粘接,以增強整體磁路效率。此類膠黏劑的性能差異顯著,受樹脂基體、導熱/導磁填料種類、固化劑類型及固化工藝條件的綜合影響。為平衡粘接強度與導熱、導磁效果,樹脂與填料的配比通常維持在(3~4):(7~6)範圍內較為理想。此外,填料的細膩程度對性能提升至關重要,粒徑細化往往能更有效地促進熱傳導與磁通量。

環氧樹脂因其對多種金屬(鋼、鐵、鋁、銅)及非金屬(玻璃、陶瓷)材料展現出卓越的粘接能力,在電氣絕緣領域依舊佔據重要地位。根據具體應用場景,環氧樹脂的種類、分子量、固化劑類型及其狀態均可靈活調整,以滿足多樣化的電氣絕緣需求。值得注意的是,未經改性的環氧樹脂膠黏劑可能表現出脆性大、耐熱性不足的特點,限制了其在特定電氣絕緣領域的應用。為此,常透過添加酚醛樹脂、有機硅樹脂、苯胺-甲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂或呋喃樹脂等高分子化合物進行改性,以增強其綜合性能並拓寬應用範圍。

環氧樹脂雲母絕緣膠方面,雲母是一種天然無機礦物質,具有晶體結構且分層可以剝離。雲母的種類很多,其中只有白雲母(無色或淡紅玉色,有玻璃光澤)和金雲母(呈淡褐色,有玻璃光澤)可做絕緣材料。雲母具有極優良的電氣和力學性能,很高的耐熱性、耐潮性、化學穩定性、抗輻射性,體積隨溫度變化很小,薄片柔軟而有彈性,因此是目前高壓電機和電器的重要絕緣部位的主絕緣材料,應用形式一般採用彩雲母和粉雲母兩種形式,目前大電機主絕緣中粉雲母有獨佔市場的趨勢。

環氧樹脂雲母制品包括帶、箔、板等,都是以環氧樹脂膠黏劑粘接粉雲母紙或將粉雲母紙粘貼在玻璃布、聚酰亞胺薄膜上,經烘乾或熱壓而成,主要是用在大、中型高壓電機定子線圈主絕緣中。目前國內外大電機主絕緣的結構一般可歸納為四種形式:一是有溶劑的多膠量雲母帶,主要應用於低壓電機領域中;二是無溶劑的多膠量雲母帶,包繞線圈後可直接模壓成型,也可以在罐內先抽真空除去潮氣和層間空氣,然後用液體靜壓成型;三是少膠量雲母帶,包繞線圈後在罐內真空乾燥處理,浸漬無溶劑樹脂漆,然後熱壓成型,此時雲母帶原含有的少量膠成分參與無溶劑樹脂漆的固化反應且無揮發物放出;四是整體浸漬的少膠量雲母帶(或白坯帶),包繞和乾燥處理後先行嵌線,然後與鐵心一起進行無溶劑樹脂漆的整體浸漬並熱烘固化成型,該結構僅適用於13.8kV以下的中型汽輪發電機和交流電動機。

目前主絕緣所用的膠黏劑主要有環氧樹脂和聚酯樹脂兩大類,而環氧樹脂透過改性已有取代聚酯樹脂的趨勢。環氧樹脂改性有兩個途徑,即採用新型固化劑和採用新型環氧化物。已報導的環氧樹脂膠黏劑類型很多,如用不飽和酸性聚酯作固化劑的環氧聚酯膠黏劑、以間苯二酚甲醛樹脂與酸酐作固化劑的環氧酚醛膠黏劑、以環氧化熱塑性酚醛樹脂為基礎的膠黏劑,以及用雙酚A環氧樹脂與脂環族環氧樹脂為基礎的混合膠黏劑等等。根據我國桐油原料豐富的特點,在B級膠黏劑中較普遍採用桐油酸酐雙酚A型環氧樹脂膠黏劑。桐油酸酐作為固化劑有許多優點,它是揮發性低的液體酸酐,易於和環氧樹脂混溶,固化物的韌性較好,在較大的溫度範圍內能保持優良且較穩定的介電性能;其缺點主要是具有長鏈而使固化物的剛性差、熱變形溫度較低。若選用某些耐熱的樹脂對環氧樹脂進行改性,或用某些特殊的固化劑,還可使環氧樹脂膠黏劑的耐熱等級達到F級。環氧樹脂雲母制品除粉雲母帶以外,還有各種環氧柔軟雲母板、環氧塑型雲母板、環氧換向器雲母板、環氧襯墊雲母板以及環氧粉雲母箔等,廣泛用於電機電器絕緣中。

在交通工具用膠黏劑方面,各類交通運輸工具(包括飛機、船舶及汽車)為了優化性能、減輕重量並減少連接處的應力集中,進而提升運行的安全性和經濟性,現普遍傾向於採用粘接技術替代傳統的鉚接、焊接及螺栓連接方式,特別是在轎車製造業中這一趨勢尤為顯著。以日本日產汽車公司為例,在其生產實踐中,環氧樹脂膠黏劑作為關鍵的結構粘接材料,佔據了汽車用膠黏劑總量的大約四分之一,充分展示了其在現代汽車工業中的重要地位與應用價值。

題圖:黑色環氧樹脂封裝的CPU。(來源:wikicommons,CC-BY-SA 4.0)