粘接低表面能塑料所需的特殊技术和胶粘剂

关键点

• 低表面能聚合物耐用、柔韧、成本低，但难以与传统胶粘剂粘合。
• 表面能是影响胶粘剂润湿表面能力的相对量。
• 通过预处理提高聚合物表面能或降低胶粘剂的表面能可促进粘合。

聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和其他热塑性烯烃因其低成本和出色的物理性能而吸引着设计师。聚合物耐用、柔韧，并且防潮、耐热和耐溶剂。不幸的是，其中一些特性也使塑料难以与传统胶粘剂粘合。

PP、PE、Teflon和其他难以粘合的聚合物被称为低表面能（LSE）塑料，工程师通常求助于机械紧固件和超声波焊接来组装LSE塑料结构部件。但这些方法会影响成本、使用寿命和美观性。随着设计人员指定越来越多的LSE塑料，他们需要更高效、更可靠、更经济的方式来连接LSE塑料。

机械紧固件会约束组件，从而增加因材料膨胀和收缩、弯曲和振动而导致连接点开裂和失效的风险。超声波焊接非常耗时，并且通常会使表面凹陷，从而损害产品外观。

另一方面，胶粘剂可以均匀地分配负载，从而减少接头应力。它们抗弯曲、振动和冲击。胶粘剂密封接头以最大限度地减少腐蚀并填充机械紧固件或超声波方法无法修复的表面间隙。

然而，直到最近，用于连接LSE塑料的实用且经济的胶粘剂才问世。新的液体和粘弹性胶粘剂正在改变基于胶粘剂的LSE塑料组装的前景。

表面动力学

聚合物表面能很重要，因为它决定了胶粘剂是否可以在粘合表面上扩散，这一过程称为润湿，这是形成牢固粘合所必需的。材料的表面能或润湿性以达因/厘米为单位。表面能相对较高的塑料（例如丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和聚碳酸酯）很容易粘合，因为它们很容易被传统胶粘剂弄湿。

经过适当处理的表面能为840达因/厘米的铝与粘合剂牢固结合，这就解释了为什么现代铝皮飞机在结构组装中更多地依赖粘合剂而不是铆钉。

在光谱的低端，PP和PE的表面能约为30达因/厘米。聚四氟乙烯（PTFE）是不粘炊具的原始涂层，是19达因/厘米的LSE冠军。

测量水滴在材料表面的接触角可以确定表面能。接触角大于90°表示表面能较低，表面更难润湿。当接触角接近180°时，表面很难弄湿，水会像打蜡的汽车一样“结珠”。

相反，接触角小于90°表示表面能较高，表面更容易润湿。在产生接近0°的接触角的表面上，水会形成片状。

液体胶粘剂对材料表面的润湿效果越好，它可以覆盖的面积就越大。这有两个有益的结果：更强的化学键和更强的机械键。

胶粘剂和基材中反应基团的更多吸引力和相互作用增强了化学键。当胶粘剂渗透到表面时，就会形成机械粘合，填充微小的不规则性并产生胶粘剂互锁。

更好的粘合

工程师对绝对表面能数的兴趣不如塑料表面能和粘合剂表面能的相对大小。理想情况下，塑料的表面能应比胶粘剂的表面能高7到10达因/厘米。表面能为20达因/厘米的液体或压敏胶粘剂会自发润湿表面能为30达因/厘米或更高的LSE塑料。

因此，工程师可以通过提高塑料的表面能或降低胶粘剂的表面能来使LSE塑料更容易粘合。

为了提高塑料的表面能，工程师通常使用底漆、火焰、等离子体或电晕放电工艺对塑料进行预处理。这些改变了表面化学性质，使塑料可以通过传统胶粘剂润湿。

塑料预处理会增加生产过程的成本和时间。此外，火焰、等离子体和电晕放电处理的表面能效应可能只持续几分钟、几天或几周，具体取决于塑料。底漆可能会带来工程师必须权衡的环境问题。

另一种方法是降低胶粘剂的表面能以获得强效粘合，涉及在胶粘剂配方中添加增粘剂。在某些情况下，工程师使用双面胶带或转移胶带来提高粘性。

新配方的丙烯酸液体胶粘剂和压敏胶带无需底漆或其他预处理即可与许多LSE塑料牢固粘合。一种方法使用双组分、无溶剂、室温固化的丙烯酸胶粘剂，无需固化炉、紫外线灯和加热器。由此产生的结构键可抵抗化学侵蚀、水、湿度和腐蚀，并具有超过1,000 psi的重叠剪切强度。

当基材薄、重量轻或柔韧时，薄的粘合产品粘附性与液体胶粘剂一样好或更好。对于此类部件，压敏胶带、双面胶带或转移胶带可为LSE材料提供耐极端温度和溶剂的粘合，并且具有与液体结构胶粘剂相当的剥离强度。

用于LSE塑料的其他胶粘剂使用氰基丙烯酸酯化学成分。这种高强度的单组分胶粘剂可在室温下固化，并在LSE塑料上产生牢固的粘合，无需烯烃底漆。可以将促进剂添加到配方中，以加快在低湿度环境中的固化。

一些氰基丙烯酸酯胶粘剂允许光加速固化，以增加粘合深度和强度。较短的固化时间使制造商能够在几秒钟内处理相对较小的塑料部件，而不是在大批量应用中几分钟。通过LSE塑料的等离子体、底漆或电晕放电预处理，可以进一步提高固化强度。

LSE胶粘剂的优势

新一代液体胶粘剂、胶带和薄膜/泡沫粘合系统与LSE塑料形成牢固的粘合，比传统的机械和超声波紧固更能抵抗冲击、冲击和疲劳。

LSE塑料的可靠胶粘剂粘合替代品有望使用技能较低的劳动力进行更快的生产和组装。胶粘剂几乎不会给组件增加额外的重量，不会改变零件尺寸或几何形状，并且很容易粘合不同的基材和热敏材料。由于传统紧固技术的局限性不是问题，因此工程师在指定组件厚度和形状方面有更大的自由度。

设计师正在使用新的液体胶粘剂、薄膜/泡沫粘合系统代替机械紧固件和超声波焊接来连接车辆和休闲拖车上的聚丙烯挡泥板、保险杠、车身装饰、车身面板和其他物品。他们将铭牌、保护窗和警告标签贴在工业设备上，并在诊断医疗产品中寻找专门的利基市场。

帮助难以粘合的表面

交通

低表面能（LSE）塑料的高性能和低成本使其成为交通运输领域极具吸引力的材料。设计师使用LSE专用的液体胶粘剂和薄膜粘合系统代替机械紧固件或焊接来连接车辆和休闲拖车中的聚丙烯挡泥板、保险杠、车身装饰、车身面板和其他物品。

现在大多数汽车内饰件都是LSE塑料。薄型粘合系统可以处理汽车内饰的极端温度，并在车辆的使用寿命内将这些部件固定到位，而无需使用难看的机械紧固件。

柔性LSE橡胶垫圈与模切的薄粘合膜层压在一起，使装配工能够将垫圈剥离并粘在需要的地方。这些垫片可粘合到不受传统胶粘剂影响的先进LSE涂料系统上。

模切、薄粘合膜还允许在全地形娱乐和工作车辆中剥离和粘贴隔热材料和消音泡沫，其引擎盖和其他车身面板由LSE塑料或混合物制成。这种方法消除了耗时、劳动密集型且对环境有害的液体接触胶粘剂工艺。

电器

粉末涂料为家用和工业电器提供持久、耐用的LSE饰面。新的薄粘合膜配方使制造商能够安全地将隔音绝缘材料、金属标识和系列标签以及在高温下运行的内部LSE塑料组件牢固地贴在难以粘合的油漆上。这消除了有损现代设计美学并可能促进腐蚀和应力开裂的传统紧固件。

电子和医用

聚丙烯薄膜的介电特性使其成为许多电气和电子应用的首选绝缘材料。薄的粘合系统为这种LSE塑料创造了耐用、经济高效的粘合。

在竞争激烈的一次性医疗用品市场中，薄粘合膜将低成本的LSE塑料层压到诊断条中。