CN102575700A - 粘合组件及包含该组件使用的组装和增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粘合组件，特别地用于在结构上组装新构件，或者进一步用于加固结构。该粘合组件包括基材(1)、相对于基材以一定间隔放置的刚性构件(2)，压缩在基材和刚性构件之间并在所述间隔内限定出密闭空间的至少一个密封件(3)，以及充占所述空间的硬化的粘合剂(13)。密封件被通过硬化的粘结剂保持在基材上的刚性构件压缩。

Description

粘合组件及包含该组件使用的组装和增强方法

本发明涉及用于产生粘合组件的技术。

该技术在广泛的各种领域中都得到应用，包括将构件连接到基材，特别是连接到初始没有提供附接构件的基材上，或者进一步增强需要更为坚固的结构，从而修复或者防止结构缺陷的出现。

金属构件常通过焊接与金属基材组装。该技术需要大幅度提升温度，该温度会由于金属基材的热传导性而传播开。有时由于环境不允许，这是禁止的，比如如果靠近组装区域存在有可燃环境的情况。如果包含基材的结构具有在高温下变劣的油漆或者其他涂层，则它的应用也会是个问题，因为构件的焊接会导致需要重新涂抹油漆或者涂层，这既耗时又花钱。

由于这些原因，焊接技术对海上平台或船只或传输碳氢化合物或其他可燃物质的管道造成了严重的问题。焊接技术被广泛使用，但是其缺点是需要操作暂停的时间不定的中断，以及有时需要有严格措施来保证所要求的安全水平。焊接技术在水下或者潮间带中还非常难于实施。

其他的方法是借助热固性或热塑性粘合剂将构件粘到基材。这种情况下的困难是要保证粘合剂获得所需的性能。一般来说，供应商注重的粘合剂性能是在良好控制条件下实施的性能，特别是有关某温度、湿度等条件。这些条件在实际中不必要全都存在，特别是在海洋环境中进行操作期间。此外，如果环境相对恶劣，则非常难于保证粘合剂的耐久性，这也不利于海洋环境中进行的操作。

有时候通过把金属或复合增强件应用到结构上来加强该结构。然而，如果构件粘合到基材上，则会产生类似于以上所阐述的问题。在金属类型增强件的情况下，它借助于粘合剂，比如树脂，连接到结构上。复合材料通常包括特别用作粘合剂的树脂，且如果树脂在控制不好的条件下涂覆的话，则其难于保证有令人满意的性能。如果增强件处在恶劣环境中，则复合材料可随着时间推移而变劣。如果使用金属增强件，那么粘合剂也会有这种情况。因此赋予结构的增强件并不耐久。

本发明目的旨在克服上述技术的某些限制性，并特别地旨在提供可靠耐用的粘合组件，即使环境可能恶化也可达到此要求。

因而提出一种粘合组件，其包括：

-基材；

-刚性构件，其相对于所述基材有一定间隔；

-至少一个密封件，其在所述基材和所述刚性构件之间压缩，并限定出位于所述间隔内的密封空间；以及

-占据所述空间的硬化的粘合剂，所述密封件被所述刚性构件压缩，其中，所述刚性构件通过所述硬化的粘合剂保持在基材上。

包含在密封件、基材和刚性构件之间的密封空间内的粘合剂，有利地与包围粘合组件的环境相隔离。密封件既使得这样的隔离可以发生在组件制造期间，这样实施条件以及因而粘合剂的性能得以控制，又使这样的隔离也可以发生在组件之后的使用期间，因此组件具有令人满意的耐久性。粘合剂然后可基于所需性能进行选择，完全有信心有效并耐久地获得这些性能。

根据第二方面，本发明提出了在基材上组装刚性构件的方法。这个方法包括以下步骤：

/a/相对于所述基材放置所述刚性构件，至少一个永久性密封件被设置在刚性构件和基材之间，以便在刚性构件和基材之间限定有间隔的空间；

/b/将刚性构件和基材结合起来，以便压缩永久性密封件并密封该空间；以及

/c/在密封空间内使粘合剂硬化。

在根据本发明的粘合组件的另一个应用中，提出一种增强结构的方法，其包括以下步骤：

/a/相反于形成部分所述结构的所述基材放置刚性构件，至少一个永久性密封件被设置在刚性构件和基材之间，以便在刚性构件和基材之间的间隔限定出空间；

/b/将刚性构件和基材结合起来，以便压缩永久性密封件并密封该空间；以及

/c/在密封空间内使粘合剂硬化，以形成复合增强件，其中，所述增强件通过永久性密封件与外界隔离，所述永久性密封件通过刚性构件保持被压缩。

参照以下附图，从下面对实施例的非限定性实例的描述中，将清楚地明白到本发明进一步的特征和优点，其中：

-图1为根据本发明的粘合组件实施方式的概略图；

-图2-8为示例方法的连续步骤的示意图；

-图9为根据本发明粘合组件的另一实施例的概略图。

在各图中，相同的附图标记代表相同或相似的部件。

参考图1，根据本发明的粘合组件包括基材1和刚性构件2，在所示实例中，该刚性构件为盖住部分基材的板状物。永久性密封件3被压缩在刚性板2和基材1之间。在板2和基材1之间的间隔中，密封件3限定出被硬化的粘合剂13充填的空间。

安装密封件4可选择地设置在板2和基材1之间，绕着永久性密封件3。该安装密封件4比永久性密封件3更为柔软。下面会对其作用进行解释。

硬化的粘合剂13在刚性构件2和基材之间维持间隙，这样刚性构件2恒定地对密封件3施加压缩力。这样受压缩的密封件3密封了由粘合剂13填充的空间，使其与外部环境隔离，由此保护它不受外部环境的侵袭。“刚性构件2”是指呈板形式的构件，或者，在构件2的中央区域被压迫朝向基材1时，其具有足够的刚性将压缩力传递到周围密封件3上。硬化的粘合剂13和密封件3之间的接触表面还对保持住密封件3起作用。

刚性构件2通常由金属、复合材料或者任何其他具有足够刚性且能抗组件使用环境的材料制成。永久性密封件3由诸如弹性体那样的材料制成，这是根据其对环境的抵抗能力而选择的。比如，在海洋环境中，EPDM(三元乙丙橡胶)或者Viton

型弹性体可用作密封件3。

在一实施例中，粘合组件可包括一个或多个位于刚性构件2和基材1之间间隔内的传感器7-9。这样的传感器用来检测间隔内的物理参数，比如：

-温度，其具体地可通过热电偶8测量；

-含水率，其可通过湿度传感器7测量；以及

-形变，其可通过优选地放置在基材1上的应变仪9测量。

来自传感器或者传感器7-9的测量信号通过连接14从粘合组件传出，其中该连接14穿过刚性板2以密封方式融合入板2中的连接束10。因而，这些信号不仅可主要用来估计粘合组件的安装条件，还可用来评估硬化粘合剂的老化条件，保证其随着时间推移发挥令人满意的效果，并辨认任何修复组件的需求。

特别地，随着时间推移，需要检查基材1和板2之间被硬化的粘合剂13占据的空间的紧密性。为此目的，湿度传感器7可与亲水构件6接触放置，该亲水构件6放置成用于探测可能进入由硬化的粘合剂13占据的空间内的任何水分。在图1所示的实施例中，亲水构件6插入到形成在永久性密封件3内的环形槽中，从而探测沿着基材1朝向粘合剂进入的任何水分。

所用的粘合剂通常为热固性树脂，例如EPNOAL

或ARALDITE

型。增强纤维和/或填料可加入到其组成中。硬化的粘合剂13中纤维的存在增加了其对机械应力的抵抗能力。

如果粘合剂被注射到基材1和板2之间间隔内由密封件限定的空间中，那么，被粘合剂涂覆的纤维可以是与注入的粘合剂混合的短纤维。因而短纤维在硬化的粘合剂13中的定向是随机的，其具有大体上各向同性的机械性能。

纤维还可以是来自安装期间放置在基材1和板2之间的纤维垫或织物的长纤维。长纤维的使用意味着，如果由组件形成的应用在硬化的粘合剂13的部分上的一个或多个方向上需要更大强度，则长纤维的大部分可定向在如此的方向。

在另一个实施例中，可通过使用预浸料坯，即，用树脂浸渍一组纤维并保持在低温下以延迟其固化，将长纤维放置在基材1和板2之间的间隔中。在板2安装期间，该预浸料坯放置在间隔中，进而当温度升高时树脂硬化。

当在安装后使用粘合组件时，永久性密封件3起到尤为重要的作用。受到刚性板2压缩，它保护粘合剂13不受外部环境影响，形成更好的耐用条件。

在组件安装期间，密封件3的作用也很重要。在安装期间，通过由密封件限定的空间中的负压，或者通过对板2的背部施加压力，刚性板2被迫朝向着基材1。这个压力压迫密封件3，因此密封住由硬化的粘合剂充填的空间。密封的空间能在其内形成物理条件，特别是适于粘合剂施加的温度、压力和湿度条件。该施加也可以按照粘结剂供应商推荐的方式进行。因而即使它是在困难环境下制造，比如像海洋环境，组件也可获得所需的性能。

根据本发明粘合组件的安装方法如图2-8所示。在这个实例中，板状刚性构件2被组装在基材1上。考虑到能使其他构件安装在基材上，板2可安装有连接系统，比如叉子、锚定杆、螺栓或螺纹等，未在附图上示出。基材1可以是金属，比如船甲板或船壳板的部分或近海平台。

在图2所示第一步骤(可选的)中，基材的将由刚性板2覆盖的区域20通过溶剂和/或研磨剂被清理干净。然后可得到永久性密封件3和安装密封件4已经定位在其上的板2(图3)。密封件3、4延伸着板2外围的长度，安装密封件4比永久性密封件3更为柔软，且放置在其外侧。安装密封件4可比永久性密封件3厚，且垂直于板2，这样它首先与基材1接触。如果传感器和/或亲水构件6(未在图2-8上示出)被安装在基材1和刚性板2之间的间隔中，则它们可通过预安装在板2上呈现出与基材1相反的样子而放置在合适地方。

一旦发生接触，就可启动抽吸系统22，从而通过在永久性密封件3内形成在板2中的导管23，在基材1和板2之间的间隔内形成负压(图4)。负压迫使板2朝向基材1，并压缩密封件3、4。在初始的抽吸阶段，可能由于基材1的任意表面粗糙度，使得永久性密封件3的硬度将阻止它提供良好的密封。首先受压缩的安装密封件4提供了这个初始的密封。当负压变得充足时，永久性密封件也在基材1和板2之间被挤压，并提供所需密封。

接下来，提供在板2中的第二导管24，用于把处理液引入到密封件3密封的空间，在该空间中，负压通过导管(图5)保持。在所示实例中，导管24与其他两个导管25、27连接，导管25、27可以分别通过阀26、28选择性地打开或闭合。在图5所示阶段中，导管25通过打开阀26连接到一个或多个装有所需处理液的罐29，而阀28此时是关闭的。因此在密封空间中循环并由导管23收集的处理液保持着负压，其可以包括：

-用来准备基材1和板2的相向表面以及永久性密封件3内侧的溶剂或底料，以利于后续注射的粘合剂的粘合。适宜的溶剂或底料将大体上由所用粘合剂的供应商指定；

-控制温度下的干燥空气，用于在密封空间内产生所需温度和湿度条件。

当在密封空间内已经产生所需条件时，便可开始注入液态粘合剂15(如有需要含有短的增强纤维)。在图6所示的实例中，通过将导管27放置在液态粘合剂15的储罐30中，并打开阀28，关闭阀26，便可执行注入操作。液态粘合剂15在密封空间内传播。一旦空间被完全充满(图7)，液态粘合剂从导管23中流出。它可在导管23中或者抽吸系统22的缓冲罐31中检测到。这样的检测后，阀28关闭，然后板2后背上的导管23、24在图7所标记的33、34点处被关闭。

闭合的密封空间然后完全地被液态粘合剂15占据。构成粘合剂15的树脂是聚合而成的，按照树脂供应商规定将其保持一定时间段。可以合适地是，加热板来加速交联。这样的加热可通过与板2的背部接触来进行，可以观察到，通常是几十度的交联温度，比焊接方法施行期间达到的温度要低很多。

一旦聚合而成，粘合剂13通过安装期间基材1和刚性构件2之间产生的胶合和压缩保持住永久性密封件3(图8)。

如果对于应用合适的话，可暂时使用粘合组件。它可以通过利用磨料线切割粘合剂13和密封件3、4得以移除。暂时性粘合组件的使用实例是在近海采油平台上的模块的装配引导的暂时组合中。

可调整刚性构件2的形状来匹配基材1的形状。粘合组件可特别地安装在结构的拐角或者弯曲表面上。还可以调整刚性构件2的形状以优化其对基材1的结构强化的作用。

根据本发明的粘合组件的另一个应用是，若结构必须承受比原计划更大的载荷，则预防性地对结构增强，或者修复破裂、侵蚀或者穿孔区域。

对于结构增强，刚性构件2和粘合剂13可以与参考图2-8所述方式相同的方式放置在合适位置。大体上，增强构件将在基材1和刚性构件2之间涂覆粘合剂，以增加机械强度性能。

增强构件优选地是纤维。如前述实例，这些增强构件可以是短纤维，其数量可根据粘到基材1的系统可承受的力进行计算。它们还可以是更长的纤维，其属于当刚性构件2放置时放置在间隔中的垫子或者织物。

长纤维根据所进行的工作是修复还是增强来进行布置。比如，如果具有裂缝40(图9)的基材1需要修复，则很大比例的纤维将横向于裂缝方向设置。

在图9所示的实例中，增强纤维属于组件生产期间设置在基材1和刚性构件2之间的预浸料坯50。预浸料坯50在定位之前冷冻以延迟其所融入的树脂的交联，预浸料坯50可以公知方式由堆叠的层构成，比如包括：

-在基材1侧面上的胶黏膜51；

-实际预浸渍垫52，也即，浸有树脂的纤维组合，其固化通过冷却而延迟；

-纤维填料55，当预浸料坯被压缩时填料可以被树脂淹没；

-在刚性构件2侧面上的胶黏膜56。

可以理解，除了图9所示之外的各种预浸料坯的设置，都可在本发明的范围内使用。比如，预浸料坯还可以包括加热毯以及中间膜，当必需保证交联时加热毯用来加热树脂15。然后这些额外的构件可以这样来布置，使基材1和刚性构件2之间的粘合剂保持其连续性。

对于图9所示的粘合组件的安装，可通过导管23在永久性密封件3和安装密封件4限定的空间内获得负压。如前所述，干燥空气在密封空间内循环，以控制湿度条件和温度。可借由导管23通过对刚性构件2施压以压缩预浸料坯来增加负压。当来自预浸料坯的树脂流回导管23外时，导管关闭且树脂在密封空间交联，如有需要还可以对其加热。如果来自预浸料坯的树脂，在刚性板2向着基材1施压之后还不足以填充满空间，则可以进一步如附图6和7所示那样注入树脂。

图9显示了与图1-8中所示的永久性密封件3和安装密封件4的形状不同的永久性密封件3和安装密封件4。永久性密封件3具有M-型轮廓，其一侧粘到刚性板2，另一侧抵着基材1。安装密封件4为粘到永久性密封件3的M-型轮廓中央部分的柔性片材，并通过密封胶5的珠子绕着刚性板2抵住基材1。如需要的话，楔状薄垫片可插入到绕着M-型密封件3外围形成的三角形槽中，从而在实施期间控制基材1和刚性板2之间间隔的厚度。控制基材1和刚性板2之间间隔的厚度还能提高对几何外形的管理，并因此提高复合增强件的性能。在图1所示情况中，永久性密封件3具有梯形轮廓，而安装密封件4为波纹管形状。在图2-8所示的情况中，永久性密封件3具有圆形轮廓，安装密封件4为绕着永久性密封件3的裙状。大体上，可以理解，永久性密封件3以及(当表现出来时)安装密封件4，可具有落入本发明范围内的各种形状。

根据本发明的粘合组件有非常多的应用。比如它们包括：

-用于在海运或者海上装置，特别是有关采油的装置上，支撑新构件的连接；

-用于支撑放置在水下的新构件的连接，比如在FPSO(海上浮式生产储油装卸)平台的船身上或者船身下或者潮间带或者诸如压舱物的隔间上；

-用于在近海设施上安装引导件的暂时连接，环氧树脂、聚亚安酯、聚酯纤维、乙烯基酯、异丁烯酸盐、硅和聚酰亚胺型粘结剂，由于它们在弹性和强度方面公知的质量而被采用；

-结构增强件(梁：弦杆和骨架肋板、立柱、撑材、片状金属，等)；

-对损坏的结构区域，比如侵蚀，进行修复；

-对穿孔的结构区域修复，在该区域必须重建密封件。待粘合的刚性构件可放置在待处理基材区域的两侧上；

-修复破裂区域；

-修复管线，包括水下管线，以恢复其密封或强度；

-在土木工程结构、工业生产设备等中的修复、增强或连接；

-船上、手工制品等上的修复、增强或连接。

Claims (16)

1.粘合组件，包括：

-基材(1)；

-刚性构件(2)，其相对于所述基材以一定间隔设置；

-至少一个密封件(3)，其在所述基材和所述刚性构件之间压缩，并限定出位于所述间隔内的密封空间；以及

-充填所述空间的硬化的粘合剂(13)，所述密封件被所述刚性构件压缩，所述刚性构件通过所述硬化的粘合剂保持在基材上。

2.根据权利要求1所述的粘合组件，其特征在于，粘合界面形成在所述硬化的粘合剂和压缩的密封件之间。

3.根据前述任一项权利要求所述的粘合组件，其特征在于，填料由所述空间内的硬化的粘合剂(13)涂覆。

4.根据前述任一项权利要求所述的粘合组件，包括至少一个位于所述刚性构件(2)和基材(1)之间间隔内的传感器(7-9)，以检测所述间隔内的至少一个物理参数。

5.根据权利要求4所述的粘合组件，其特征在于，所述传感器包括湿度传感器(7)，所述组件还包括定位于密封件(3)并与湿度传感器接触的亲水构件(6)。

6.将刚性构件组合到基材上的方法，所述方法包括下面步骤：

/a/相对于所述基材(1)放置所述刚性构件(2)，至少一个永久性密封件(3)被设置在刚性构件和基材之间，以便在刚性构件和基材之间限定间隔内的空间；

/b/将刚性构件和基材结合起来，以便压缩永久性密封件并密封所述空间；以及

/c/在密封空间内使粘合剂(15)硬化。

7.增强包括至少一个基材(1)的结构的方法，所述方法包括下面的步骤：

/a/相反于所述基材(1)放置刚性构件(2)，至少一永久性密封件(3)被设置在刚性构件和基材之间，以便在刚性构件和基材之间限定出间隔的空间；

/b/将刚性构件和基材结合起来，以便压缩永久性密封件并密封所述空间；以及

/c/在密封空间内使粘合剂(15)硬化，以形成复合增强件，所述增强件通过永久性密封件与外界隔离，所述永久性密封件通过刚性构件保持被压缩。

8.根据权利要求6或7所述的方法，包括通过研磨剂和/或溶剂的施加对基材(1)进行表面处理的在先步骤。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于，将刚性构件(2)朝向基材(1)的步骤包括：在刚性构件和基材之间的间隔限定出的空间内生成负压。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，比所述永久性密封件(3)更加柔软的安装密封件(4)靠近所述永久性密封件设置在刚性构件(2)和基材(1)之间。

11.根据权要求6-10中任一项所述的方法，其特征在于，将刚性构件(2)朝向基材(1)的步骤包括：向着基材对刚性构件施加力。

12.根据权利要求6-11中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤/b/和/c/之间，干燥气体和/或至少一个溶剂和/或至少一个底料在所述密封空间内循环。

13.根据权利要求6-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述粘合剂(15)在其固化之前以液态注入所述密封空间内。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，短增强纤维分布在注入的液态粘合剂(15)中。

15.根据权利要求6-12中任一项所述的方法，其特征在于，至少部分粘合剂为预浸料坯(50)的部分，所述预浸料坯(50)设置在刚性构件(2)和基材(1)之间的间隔内。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，刚性构件(2)被带向基材(1)，至少直到来预浸料坯的粘合剂通过设置在刚性构件中的导管(23)被排出。

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