厭氧膠固化因素的工藝分析

單 超 蔣乾凱 梁榮志 郭 凡 霍連鋒 宋 偉 劉 巖

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

1 引言

由于厭氧膠具有室溫固化、速度快、強(qiáng)度高、收縮率小等特性，在電子、電氣、宇航、軍工、汽車等行業(yè)中的密封、鎖緊、粘接、堵漏、固持等方面中被廣泛采用[1～3]。

厭氧膠在實(shí)際應(yīng)用過程中主要有幾個(gè)方面：表面處理、涂膠、拼裝、固化、清潔。在使用的步驟中，影響厭氧膠固化的因素有很多，因此本文以影響厭氧膠固化的因素條件，對(duì)常用的厭氧膠的性能和固化過程進(jìn)行具體研究和分析，探究各類因素對(duì)厭氧膠固化速度、時(shí)間及性能的影響。

2 概述

2.1 厭氧膠概述

厭氧膠粘劑，簡稱厭氧膠，是利用氧對(duì)自由基的阻聚原理制成的單組份密封膠粘劑，是一系列厭氧固化特性組分的統(tǒng)稱。厭氧膠固化需要滿足：涂膠面需要與氧氣隔離，形成缺氧環(huán)境；膠液與金屬接觸。涂在金屬表面的厭氧膠，與空氣隔絕后，膠液中的自由基會(huì)將溶解在膠液中的少量氧氣消耗隨后聚合、固化。近年來厭氧膠的成分不斷更新，以適用于不同的應(yīng)用條件。

厭氧膠(Anaerobe)：別名機(jī)械膠、絕氧膠、螺紋膠[4]。在富氧環(huán)境下不固化，以呈交聯(lián)狀態(tài)的固體高分子形式存在，而在缺氧環(huán)境下，能夠迅速聚合并固化。所謂“厭氧”，就是在缺乏氧氣的對(duì)接面才可以使用的膠水。

ASTM5363—97(單組份厭氧膠標(biāo)準(zhǔn))，美國于20世紀(jì)90年代后期制定的規(guī)范厭氧膠制造的標(biāo)準(zhǔn)。我國化工行業(yè)厭氧膠標(biāo)準(zhǔn)為HG/T3737—2004[5]。

2.2 厭氧膠的組成

厭氧膠的主要成分為丙烯酸酯，在膠液總配比中占90%以上，還包括芳香胺、酚類、芳烴類、過氧化物等。此外還可視不同情況添加輔助試劑，如染色劑、增塑劑、填充劑、增稠劑、觸變劑等。

2.3 厭氧膠的分類

厭氧膠除主要成分丙烯酸酯、芳香胺、酚類、芳烴類外，還包含各種試劑。不論是成分的改變或是用量的增減都會(huì)導(dǎo)致膠粘劑性能的不同，故膠粘劑的種類也紛繁復(fù)雜。它們的分類方式一般可按結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、單體粘度、用途分類。比較常見的分類方法是以單體粘度和用途分類。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為4 類。

a.醚型

雙甲基丙烯酸三縮四乙二醇酯為代表。

b.醇酸酯

常見的有雙甲基丙酸多縮乙二醇酯(如美國的樂泰290、樂泰271、樂泰277 等)。

c.環(huán)氧酯

是環(huán)氧樹脂和甲基亞克力發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成的產(chǎn)物。常見的有雙酚A 環(huán)氧酯(如環(huán)氧酯與多縮乙二醇酯的混合物、國產(chǎn)Y-150、GY-340 等)。

d.聚氨酯

由異氰酸酯、甲基亞克羥基酚、多元醇(如國產(chǎn)GY-168、鐵錨352、BN-601 等)反應(yīng)制得。

3 厭氧膠的應(yīng)用及特點(diǎn)

3.1 厭氧膠的應(yīng)用

針對(duì)厭氧膠適用粘接的材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其在材質(zhì)上主要用于：金屬材質(zhì)表面鍍鋅、鍍鉻等材料。如：鋼、鐵、銅、鋁、不銹鋼等。

粘接結(jié)構(gòu)上主要應(yīng)用于：螺紋鎖固、螺紋或平面密封、圓柱固結(jié)及滲漏堵漏等方面的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[6]。

針對(duì)厭氧膠在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用分析，主要應(yīng)用包括4 個(gè)方面：鎖緊防松（如各種螺紋連接）；密封防漏(有密封要求對(duì)接面的粘接，如法蘭對(duì)接面和金屬管路對(duì)接面的密封)；固持定位；填充堵漏。

a.鎖緊防松

傳統(tǒng)的機(jī)械式鎖緊防松效果不理想，而化學(xué)式鎖法價(jià)格低廉，但是容易出現(xiàn)金屬緊固螺釘因撞擊而產(chǎn)生松脫的現(xiàn)象。如果在拼裝前將螺釘涂上厭氧膠，固化后的強(qiáng)韌塑膠膜在螺紋縫隙中形成，不會(huì)出現(xiàn)螺紋松垮的情況。現(xiàn)用的緊固螺釘防松方法為：安裝緊固螺釘前，預(yù)涂厭氧膠，隨即將螺釘旋入、擰緊，即可達(dá)到預(yù)期的防松效果。

b.密封防漏

傳統(tǒng)的密封防漏方法是在密封面上墊上橡膠、石棉和金屬等材料的墊片并壓緊，使對(duì)接面接觸更加緊密，但由于老化或銹蝕作用，對(duì)接面的密封作用很快失效。為解決傳統(tǒng)墊片易失效的問題。利用液態(tài)厭氧膠固化后形成的固態(tài)“膠塊”代替?zhèn)鹘y(tǒng)墊片，其優(yōu)點(diǎn)有液態(tài)膠液固化能夠更好的使對(duì)接面緊密接觸，密封效果更好，此外固化后的“膠塊”化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)變化，密封有效期更久。

c.固持定位

對(duì)軸與軸承、帶輪、齒輪、座孔，襯套與孔等結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方式是將尺寸過盈的零件通過熱套、冷壓的方式壓入，再輔以按鍵、銷子固定。這種固定方法容易出現(xiàn)磨損、腐蝕等現(xiàn)象，造成松動(dòng)。此外由于不同材料或結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不同，對(duì)加工精度要求十分嚴(yán)格。為解決此問題，在上述結(jié)構(gòu)中使用間隙填充厭氧膠，固持該結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)有固結(jié)持久、穩(wěn)定、固化效果好、產(chǎn)品使用壽命明顯增加；此外，由于厭氧膠固化形成“膠塊”能夠較好的填充接觸面，對(duì)產(chǎn)品的加工精度要求降低，生產(chǎn)效率隨即明顯提高。

d.填充堵漏

對(duì)于鑄件、粉末冶金件、焊接件或3D 打印產(chǎn)品等，成型后內(nèi)部常有一些肉眼不可見的微孔，針對(duì)該種類的缺陷，可在產(chǎn)品上涂低粘度易流動(dòng)的厭氧膠(如B-290)，使膠液滲透到微孔中，填充空隙，間接與氧氣隔絕，完成固化，起到填充作用。若在真空滲透則成功率更高，這種工藝方法在鑄造界應(yīng)用極為廣泛。

3.2 厭氧膠的特點(diǎn)

a.多為單體形狀，具有廣泛的粘度變化、總類多樣。

b.使用極其方便，不需要稱量，不需要混合，不需要配膠，自動(dòng)化作業(yè)很容易實(shí)現(xiàn)。

c.固化速度快、常溫固化、固化強(qiáng)度高、收縮小，應(yīng)力小、密封效果好、有效期長。

d.化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐熱、耐壓、耐低溫、耐藥、耐沖擊、防腐。

e.外溢膠水，膠縫不固化，易清除干凈。

f.無溶劑，毒性低，危害小，無污染。

g.封閉、鎖止、固結(jié)、粘結(jié)、堵漏等用途廣泛。

h.儲(chǔ)存穩(wěn)定，膠液儲(chǔ)存期通常是3a。

3.3 厭氧膠的局限

a.厭氧膠的固化深度有限制，一般不超過0.2mm。

b.厭氧膠，固結(jié)硬度較高。

c.低剝離低抗沖擊強(qiáng)度。

d.可能產(chǎn)生應(yīng)力裂紋或熔化塑料。

4 厭氧膠機(jī)理分析及固化條件

4.1 常用厭氧膠膠接工藝應(yīng)用及對(duì)比

通常情況下，鐵錨300 厭氧膠和鐵錨350 厭氧膠粘接件的表面應(yīng)先涂一層表面處理劑，然后再涂上厭氧膠，使粘接物的表面活性得到提高。鐵錨302 厭氧膠、鐵錨351(含鐵錨352)厭氧膠具有優(yōu)異的粘接性能，工藝簡單，可直接用于粘接。

參照美軍標(biāo)MIL-S-4616、航空工業(yè)部部標(biāo)（ HB5313—5329—85 ）[7]和廣東省企標(biāo)（ 粵Q/HG102—85）等。在厭氧膠的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，對(duì)302號(hào)鐵錨和351 號(hào)鐵錨(含352 號(hào)鐵錨)進(jìn)行厭氧膠粘接測(cè)試時(shí)，其破壞力矩和引伸力矩界限不明顯，顯示其抗性良好。如鐵錨302 厭氧膠用于某產(chǎn)品尾段（M3 至M4 不銹鋼螺釘）粘接、某產(chǎn)品普通碳鋼螺栓粘接、定位銷安裝粘接、電機(jī)軸芯粘接、支架外環(huán)螺孔粘接固封及頂出器上鋼與聚氨酯橡膠的粘接等，最終粘接結(jié)果都和測(cè)試結(jié)果相符合。綜合厭氧膠性能分析，無論從粘接強(qiáng)度，還是從粘接工藝等方面考慮，可以用鐵錨302 和351 厭氧膠分別替代鐵錨300 和350 厭氧膠。

4.2 厭氧膠的固化機(jī)理

厭氧膠的固化機(jī)理如圖1所示。

圖1 厭氧膠的固化機(jī)理

4.3 厭氧膠的固化條件

有以下幾種厭氧固化條件：

a.厭氧膠要在缺氧環(huán)境下才能固化；縫隙較大時(shí)，中間加一塊金屬墊片再涂膠，不可密封或粘接過大的縫隙；

b.在縫隙中缺氧環(huán)境下的膠液才能固化，螺孔外溢出的余膠，因接觸空氣不固化；

c.一般選用非活性金屬基材；對(duì)非活性金屬表面固化較快；如銅、鐵、鋼，對(duì)活性金屬，固化時(shí)間稍長，如電鍍件、不銹鋼、磁化鋼等，應(yīng)做驗(yàn)證試驗(yàn)；

d.厭氧膠粘接件表面保證清潔，未經(jīng)清潔處理的粘接件表面，兩零件粘接面使用厭氧膠粘接時(shí)會(huì)降低或完全喪失粘接能力。

e.厭氧膠一般在20℃以上施工，初步固化需0.5 h，可固定(抗震動(dòng))需1h，固化強(qiáng)度80%需2 h，完全固化需24h，固化時(shí)間必須在低溫條件下延長，但使用促進(jìn)劑或施工環(huán)境溫度適當(dāng)提高，可在粘接面上涂刷。

5 厭氧膠固化的影響條件和因素作用分析

5.1 厭氧膠對(duì)粘接基材反應(yīng)對(duì)比分析

a.對(duì)金屬材料的作用

厭氧膠與不同類金屬材料反應(yīng)程度不同，因此固化速度和粘結(jié)力也存在差異，而非活性金屬表面相對(duì)于活性金屬表面，固化速度較慢，粘結(jié)力較小，因此固化速度和粘結(jié)力的差異較大，如圖2所示。

圖2 常用活性、非活性金屬材料

通常對(duì)于金屬材料的三種表面狀態(tài)：活性面——鋼(20#、45#)、鐵(Q235)、黃銅(H62)、鋁(2A12、5A06等)；抑制面——陽極化的鋁質(zhì)；非活性表面——不銹鋼(1Cr18Ni9Ti 等)[8]。粘接后活性金屬表面的粘結(jié)力和固化效果較好，且鋼鐵材料表面尤為優(yōu)良。粘接后的抑制性表面、非活性金屬的表面可采用促進(jìn)劑和加熱的方法來提高其固化的速度。

b.對(duì)非金屬材料的作用

航天產(chǎn)品中常見的非金屬材料見圖3，厭氧膠在非金屬零件表面上應(yīng)用較少，厭氧屬性會(huì)使部分熱塑性塑料軟化，當(dāng)承受壓力時(shí)就會(huì)引起應(yīng)力開裂。

圖3 常用的非金屬材料

5.2 影響厭氧膠固化的因素

影響厭氧膠固化的因素關(guān)系主要有以下幾種：

a.固化速度與基材之間的關(guān)聯(lián)：厭氧膠用于鋼、鐵、銅等及其合金等，在常溫下固化速度較快，強(qiáng)度較高，而用于非活性表面，如鋁、鋅、鎘、鉻、鎳及其合金，以及金屬表面鍍鋅、鍍鉻等，固化速度較慢，膠接強(qiáng)度較低，且表面活性處理劑一般在膠接前即可處理,見圖4。

圖4 固化速度與基材的關(guān)系

b.固化速度與填充性間隙的關(guān)聯(lián)：滿足固化條件下的間隙一般要求〈0.2mm，在空氣隔絕的情況下，必須將厭氧膠固化下來；一定要選擇粘度較高的無氧膠，對(duì)于間隙稍大于0.2mm 的密封或粘接；間隙過大必須選用黏度較高的厭氧膠，間歇時(shí)加一塊金屬墊片，再將膠水涂滿即可，見圖5。

圖5 固化速度與填充間隙的關(guān)系

c.固化速度與溫度的關(guān)系：厭氧膠常溫下可以很快凝固。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品適用于-55～150 ℃的工況，加熱可使厭氧膠加速固化，達(dá)到縮短厭氧膠固化時(shí)間的效果，見圖6。

圖6 固化速度與溫度的關(guān)系

圖7 固化速度與促進(jìn)劑的關(guān)系

固化的速度也根據(jù)環(huán)境溫度的不同而有所差異，下圖是依據(jù)IS010964，產(chǎn)品在不同的固化溫度下的M10 鋼制螺栓和螺母上，在不同的固化時(shí)間下獲得到的破壞強(qiáng)度[9]。

d.固化速度與促進(jìn)劑的關(guān)聯(lián)：促進(jìn)劑可使厭氧膠的固化速度加快，使用促進(jìn)劑使非活性金屬粘接以及低溫粘接固化時(shí)間不會(huì)過長。

e.固化速度與表面清潔度的關(guān)系

厭氧膠粘接件表面需要保證清潔，不經(jīng)過清潔處理的粘接件表面使用厭氧膠粘接時(shí)粘接能力會(huì)降低或完全喪失。對(duì)粘接件表面的清潔以去油、去銹為主，適當(dāng)?shù)膾伖狻⑶逑础⒘栏赡苁骨鍧嵭Ч谩３筒捎玫姆椒ㄖ饕菤庀喑停Ｓ玫娜軇┯腥纫彝椤⑷纫蚁⒓滓彝⒓状嫉取Ｓ萌軇┢颓逑磧纱危軌驅(qū)⒄辰用娴挠臀厶幚砀蓛簟６P的方法是打磨粘接面。適當(dāng)打磨被粘物表面，有利于提高粘接強(qiáng)度，以0.76～2μm 的表面粗糙度為宜。若表面粗糙度大于3.2μm 時(shí)，粘接面之間的間隙稍大，膠粘強(qiáng)度就會(huì)有所降低。

5.3 厭氧膠固化加速方法

5.3.1 使用促進(jìn)劑加速固化

催化劑用于促進(jìn)厭氧膠的固化速度，確保在非活性金屬表面的正常固化以及促進(jìn)低溫固化。

促進(jìn)劑的選用情況，按照表1 中的規(guī)定進(jìn)行選擇。以下幾點(diǎn)在噴催化劑時(shí)應(yīng)引起重視：

表1 單獨(dú)使用某一促劑對(duì)厭氧膠的作用[10]

a.均勻噴灑于一個(gè)表面（相對(duì)的非活性金屬表面），用量不易過多；

b.已經(jīng)噴有催化劑的表面不能涂施厭氧膠，以免膠液在裝配前固化；

c.催化劑噴涂后，等待2～3min，使其充分反應(yīng)，再擰緊螺釘；

d.若在實(shí)際操作過程中，出現(xiàn)固化時(shí)間太快，造成螺紋擰不到位，可以不使用催化劑。

5.3.2 加熱加速固化

厭氧膠1d 完全固化。在正常室溫（15～30℃）條件下，厭氧膠一般能在20～30min 左右初步固化固定零件，隨后固化強(qiáng)度隨時(shí)間增加，1h 則可以產(chǎn)生抗震，2h 左右可達(dá)到的固化強(qiáng)度為80%，24h 后達(dá)到最高強(qiáng)度，即完全固化。低溫條件下的固化時(shí)間需要延長，當(dāng)提高施工環(huán)境溫度時(shí)固化時(shí)間可適當(dāng)縮短，即在加溫加熱時(shí)，固化的速度與常溫相比提高明顯。厭氧膠固化時(shí)可在烘干箱或烘干間內(nèi)進(jìn)行烘干處理，以達(dá)到加快固化速度和增加固化強(qiáng)度的目的。具體要求如下：

a.粘接后在60～80℃環(huán)境內(nèi)烘干2h；

b.粘接后在常溫環(huán)境下，固化時(shí)間不低于24h；

c.以上兩種工藝以第一種為優(yōu)先考慮之工藝，若無條件或者操作不便時(shí)，方可采用第二種工藝。

5.3.3 增加壓力加速固化

采用加壓加速厭氧膠固化是很常用的方法，它的作用原理是在需要膠接的兩個(gè)零件外部使用重物壓緊或使用卡蘭等夾具夾緊，以此來施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ箙捬跄z更好更穩(wěn)定地接觸到需要膠接的產(chǎn)品材料表面，促進(jìn)固化反應(yīng)的進(jìn)行。通過適當(dāng)施加合適的壓力會(huì)使需要膠接的兩零件膠接面貼合間隙減小，排出粘連部位的空氣促使溶解在厭氧膠中的少量氧氣被擠出，加速膠液中的自由基消耗氧氣的速度，使膠液迅速固化。

5.4 解決影響厭氧膠固化及粘結(jié)力的其它方案

有以下幾種解決辦法，用于解決強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的問題：

a.有機(jī)溶劑如可用丙酮、丁酮等對(duì)基材表面的油污、灰塵等進(jìn)行清潔后，再進(jìn)行粘接處理；

b.常溫下24h 完全固化厭氧膠，推薦24h 再使用產(chǎn)品；

c.若各粘接件配合間隙較大，建議選用無氧膠，粘度較大；

d.厭氧膠一般不建議在非活性金屬表面，如在不銹鋼、鋅、鍍鋅等材料上應(yīng)用，應(yīng)先在基材表面涂促進(jìn)劑；

e.更換其他合適的膠粘劑。

6 結(jié)束語

本文對(duì)影響厭氧膠固化和固化時(shí)間的因素分別進(jìn)行了研究和分析。厭氧膠可以在一般的金屬表面得到有效的應(yīng)用，由于材料類型的不同，固化可快可慢，活性較其他材料強(qiáng)。

在一般要求的固化條件下，兩固化基材之間的填充間隙應(yīng)符合間隙〈0.2mm。在非常緊密的配合間隙，即良好的隔氧作用下，固化反應(yīng)也會(huì)加快，在缺氧條件下也會(huì)影響厭氧膠固化的速度。

厭氧膠的固化要在缺氧環(huán)境下涂抹在金屬對(duì)接面上，膠接面外不能完全固化的厭氧物質(zhì)。在膠接面內(nèi)部，固化的速率是根據(jù)不同的產(chǎn)品材料和促進(jìn)劑而定的。使用厭氧膠促固劑可以加速固化，在金屬表面固化大部分產(chǎn)品都不需要促固劑。而推薦使用促進(jìn)劑以達(dá)到應(yīng)用的固化速度，主要是應(yīng)用于非活性的金屬和其它非活性表面。

經(jīng)測(cè)試和研究分析，加熱可以加快固化的進(jìn)程。一般常溫下厭氧膠24h 才能完全固化，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品適用于-55～150 ℃的工況，添加特殊組分后膠液使用溫度可達(dá)到230℃。溫度稍高于室溫時(shí)膠液固化速度會(huì)明顯加快。通常將產(chǎn)品加熱60～80℃固化2h 左右即可。