关于提高胶粘剂粘合强度的秘密

金属零件和组件的塑料替代品是当今的热门话题。汽车和航空航天制造商使用塑料来减轻重量并提高燃油效率。同样，塑料也被用于制造耐用、易于成型的轻质外壳和其他行业的内部组件。

组装塑料部件的首选方法是通过粘合剂粘合而不是机械紧固。粘合接头美观，不会因焊接接头或任何机械附件而变形。胶粘剂粘合层是连续的且“防漏”。而且它们比其他组装方法更耐腐蚀。连续粘合层也比点焊或机械紧固接头更能承受集中应力。此外，胶粘剂粘接使部件具有良好的减振性能，当单个粘接取代多个机械紧固件时，可以简化组装。

但是，有一些粘接塑料的交易技巧。所有基材都应进行脱脂处理，通常在粘合前轻轻磨损。但是，获得最大强度和长期抗变质性的方法是通过化学或电解预处理，特别是在热固性和热塑性表面。

聚合物基材

由保温瓶和塑料制成的模制、铸造和层压零件，例如玻璃增强环氧树脂（GRE）、玻璃和碳增强塑料（GRP和CFRP）以及片状模塑料（SMC），通常可以轻松粘合。当然，在涂胶粘剂之前，接缝表面必须没有任何污垢和残留的脱模剂。用砂布磨损、喷砂和用丙酮等溶剂清洁都是很好的做法。

相比之下，热塑性塑料更难粘合。每种类型的塑料——ABS、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰胺和聚醚醚酮（PEEK）——在决定粘合强度的特性上可能会有很大差异。

经过适当准备的表面会更牢固。预处理可去除低表面能污染物，如蜡、油、油脂、增塑剂和脱模剂。适当的准备还可以减少因磨损而导致的灰尘、污垢和松散颗粒。基材预处理通过创建纹理表面来扩大可用于粘合的表面积。

此外，表面处理促进了牢固粘合所需的彻底胶粘剂润湿。它通过为被粘合的材料提供比胶粘剂更高的表面能来实现这一点。

金属基材的表面能比聚合物高得多。因此，它们更容易润湿并与表面能约为40 mJ/m2的粘合剂状环氧树脂粘合。相反，聚合物也不会浸湿，因为它们的表面能略低于环氧树脂胶粘剂的表面能。这就是为什么必须提高它们的表面能以获得牢固的键合。多种技术都可以实现此目的。这些方法还有助于生产更耐湿气和腐蚀性化学品而不会脱粘的接头。

在大多数情况下，研磨表面并用丙酮、乙醇或异丙醇等溶剂擦拭就足够了。但某些塑料可能需要火焰、电晕或其他化学预处理才能改变其表面纹理。

溶剂擦拭：是最简单的表面处理形式，是去除基材上的蜡、油和其他低分子量污染物的理想选择。该技术依赖于污染物可溶于溶剂，并且溶剂本身不含溶解的污染物。但有些溶剂与特定的聚合物基材不兼容。一些溶剂会溶解热塑性塑料或会在表面产生应力开裂或龟裂。常用溶剂有丙酮、MEK、MIBK、二甲苯、TCE、乙醇和IPA。

用干净的无绒布或纸巾涂抹溶剂。注意防止样品之间的交叉污染，不要重复使用布或将受污染的布浸入溶剂中。

使用溶剂时，监测有害物质和有毒蒸气的积聚也很重要。溶剂擦拭不适用于大型粘合项目。相反，蒸汽脱脂或超声波蒸汽脱脂更合适。

磨损可以通过多种方式实现。手动磨损包括钢丝刷、纸张打磨和锉削。自动化技术包括高速打磨、研磨和喷砂/砂砾喷砂。机械/自动磨损过程相对快速且经济。它们也是可重复的，并且比手工方法更依赖熟练劳动力。

火焰处理：会部分氧化表面，产生极性基团，从而提高聚合物的表面能。该技术使用气体或气体/氧气火焰。它适用于不平整的型材和较厚的基材。它很容易调整和控制气氧比、流速、暴露时间和火焰与基材的接近程度。这是用于PE和PP的有效方法。较薄的基材更适合电晕预处理，如下所述。

等离子体处理：顾名思义，使用通过对气体进行高能量充电而产生的等离子体。等离子体中的自由离子和电子可以清洁它所接触的任何材料的表面。在有机表面上，等离子体与火焰一样，会产生极性基团/活性自由基，从而提高表面能并帮助粘附。低压等离子体是一种涉及在低压室中用两个电极之间的高频和高电压激发气体的技术。该工艺使用氩、氨、氮或氧等各种等离子体，使其适用于各种基材。

对于低压等离子体，空气可以作为等离子体源。在这种情况下，空气中的氧气会产生最大的效果，因为它会与碳水化合物类污染物发生反应并分解大链分子。该过程很容易去除较小的分子。该方法提供手持式和自动化设备。有些设备可以安装在机器人头上，因此胶粘剂可以在预处理后立即使用。在许多情况下，该过程会产生能量大于70 mJ/m2的表面。

低压等离子体的有效带宽为0.5 in.它可以在高达3,000 fpm的压力下使用，是大型工业应用的候选者。适合使用低压等离子体处理的塑料包括PP、PE、聚酰胺、PET、ABS、PC、橡胶和复合材料。

电晕放电：工作原理类似于低压等离子体，但事件发生在大气压下的空气中。电晕是通过向通过气隙与接地台隔开的电极施加频率范围为9至50 kHz的高压（高达30 kV）而产生的。在3至5 kV/mm时，电流通过气隙产生自由电子，这些电子以巨大的能量向正极移动。自由电子从气隙中的分子中取代电子，进而产生更多的自由电子。相应的离子有助于流过间隙的电流。随着电离电流的增加，电晕放电速率也会增加（即粒子移动得更快）。然后，产生的等离子体激活了放电所指向的塑料部件表面。电晕放电特别适用于薄膜和复合层压板。

化学处理：适用于粘合聚合物基材。这些处理通常由聚合物制造商或专门从事化学预处理的公司进行。

最后，胶粘剂的选择也会有所不同。例如，基于甲基丙烯酸酯的胶粘剂即使在制备不良的基材上也能产生耐用的接缝。

粘合基础知识

除了表面处理外，几个加工参数对于成功的粘合也至关重要。

• 树脂和固化剂在应用前必须精确配比并充分混合。
• 固化温度和时间必须正确。
• 夹具和其他固定装置应在固化过程中牢固地固定粘合表面，并在部件达到处理强度之前消除任何移动。
• 粘合表面在组装过程中只需要轻微的压力，因为胶粘剂会固化。但压力应尽可能均匀地施加在整个粘合区域。但是，过大的压力会迫使胶粘剂流出，使接头缺乏胶粘剂。在实验室条件下，对于0.625 in.2（312.5 mm2）的粘合面积，施加的压力通常为30至50 N。对于高粘度胶粘剂，这个数字可能会发生变化。

虽然听起来很明显，但必须正确设计耐用的接头。首先，工程师必须评估将作用在粘合层上的所有力，例如剪切力、拉伸力或压缩力。应避免出现剥离和/或解理力的对接接头和粘合线。此外，胶线为0.002至0.008英寸。（0.05至0.2 mm）是最佳粘合强度的最佳选择，尽管许多触变性/糊状粘合剂可以填充两个基材之间的一些间隙。

最后，胶粘剂的选择取决于操作条件。例如，受到振动或冲击的组件应使用增韧粘合剂。胶粘剂的选择还应考虑使用条件。载荷、温度和其他环境因素都会对粘合强度产生重大影响。

预处理塑料与未处理塑料

将溶剂擦拭与聚合物基材的等离子体处理进行了比较。等离子体处理显著提高了环氧树脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯胶粘剂的搭接剪切强度。这种改进有望转化为更耐用的关节，但研究结果尚未通过长期测试得到验证。

这些测试证明了对各种类型聚合物的预处理效果存在差异。等离子体处理明显提高了各种热塑性塑料的粘合强度。

在粘合之前，丙烯酸板的边缘要清洁并涂上底漆。将聚氨酯胶粘剂涂在准备好的表面上。在尼龙增强丙烯酸和环氧树脂边缘附件粘合到位后，对完成的丙烯酸挡风玻璃面板进行检查。

研磨聚合物表面可提高附着力。