半结晶热塑性塑料粘接的最佳实践

半结晶热塑性塑料粘接的最佳实践

从通用级到高性能级，半结晶聚合物无论与自身还是与异种材料，都难以粘接。要形成附着力所需的牢固分子键，必须保证基材表面清洁（通常还需配合预处理）。胶粘剂的选择与正确固化，对达到预期效果至关重要。

一般而言，聚合物在固态下呈现两种形态：“非晶态”与“半结晶态”。在特定条件下，部分聚合物可同时呈现两种形态。非晶态聚合物（如亚克力和聚碳酸酯）没有真正的熔点（逐渐软化），分子无规取向并相互缠结（如同煮熟的意大利面），外观呈玻璃状透明。半结晶聚合物则有明确的熔点，分子在具有规则线性结构的有序区域内紧密堆积。由于晶粒会散射光线，此类材料通常更不透明。由于分子链紧密堆积产生很强的分子间作用力，半结晶聚合物往往形成坚韧的塑料。（参见图 2。）

半结晶聚合物天然难以粘接，因为它们疏水、化学惰性，且表面润湿性差（即表面能低）。这些特性对材料性能十分有利，但较差的表面润湿性却给制造商带来粘接难题。此外，尼龙等半结晶聚合物会从空气中吸收超过自身质量 3% 的水分，而水分本身就会造成附着力问题。因此，应在成型后尽快进行粘接，或将零件与干燥剂一起密封包装在非聚乙烯袋中。正确的干燥工艺对加工过程和零件性能至关重要。

要点总结

• 形态决定粘接性。亚克力和聚碳酸酯等非晶态聚合物比半结晶聚合物更容易粘接。
• 使用甲苯、二甲苯、丙酮或 MEK 清洁。酒精只能去除表面浮尘，无法去除烃类污染物。
• 硅酮、脱模剂和防滑剂会阻碍粘接，必须在预处理之前清除。
• 附着失效有明显的外观特征：残留胶粘剂只出现在一个基材上，而不是两个基材上都有。
• 环氧树脂、丙烯酸类和聚氨酯类是这类聚合物常用的结构胶粘剂。

常见问题

为什么半结晶聚合物比非晶态聚合物更难粘接？

原因在于其分子形态。亚克力和聚碳酸酯等非晶态聚合物的分子无规取向、相互缠结，没有真正的熔点，而是逐渐软化。半结晶聚合物具有有序结构，而这种有序性恰恰阻碍了附着力所依赖的润湿。

应使用哪些溶剂清洁半结晶聚合物表面？

应根据公司溶剂使用规定和当地法规，选用中高强度的甲苯、二甲苯、丙酮或 MEK。聚合物数据表中会列出合适的清洁剂。酒精是弱溶剂，只能去除表面浮尘，无法去除烃类污染物。

如何区分附着失效与内聚失效？

看胶粘剂残留在何处。附着失效发生在胶粘剂与被粘物的界面处，外观上残留胶粘剂只在一个表面，另一个基材上没有。内聚失效则两个表面都留有胶粘剂。

哪些胶粘剂适用于半结晶聚合物？

常用结构胶粘剂，包括环氧树脂、丙烯酸类和聚氨酯类。双组分环氧需将环氧树脂与固化剂混合，接头设计必须考虑拉伸、压缩、剪切、剥离和劈裂力，且这些力往往同时作用。

哪种污染最容易破坏粘接？

低分子量物质：硅酮、脱模剂和防滑剂。它们会直接阻碍粘接，只要表面上仍有残留，再多的预处理也无法弥补。

表面清洁与预处理

表面准备对获得高粘接强度至关重要。表面必须清洁，不得有灰尘、油脂和油污。硅酮、脱模剂和防滑剂等低分子量物质（LMWM）会阻碍粘接。要充分清洁半结晶表面并去除 LMWM，通常应使用中高强度的甲苯、二甲苯、丙酮或 MEK（须符合公司溶剂使用规定和当地法规）。聚合物数据表中会列出合适的清洁剂。酒精是弱溶剂，只能去除表面浮尘，无法去除烃类污染物。

任何时候都必须采用正确的操作方法，包括使用无绒布并佩戴无粉防护手套。溶剂过量会形成未清除化学物质的弱边界层，留下雾状残留，从而阻碍粘接。

半结晶聚合物的粘接应用通常需要在溶剂清洁之后立即进行等离子体预处理。气相表面氧化预处理包括电晕放电处理、电气大气等离子体、电气空气等离子体、火焰等离子和低压射频冷气体等离子体。这些工艺的特点是能产生“气体等离子体”，即由自由电子、正离子及其他粒子组成的极具反应活性的气体，同时还会发生化学表面官能化。从物理学角度看，这些等离子体的产生机理各不相同，但对表面润湿性的影响相似。每种方法各有适用场合，也各有优势和局限。

例如，电气预处理无法去除或清洁所有多环芳烃，因此可能仍需继续进行溶剂清洁。射频冷气体预处理可以去除烃类，因此无需预先清洁。

一般规律是，当基材表面能比液体或胶粘剂的表面张力高约 10 dynes/cm 时，即可获得可接受的粘接附着力。未处理尼龙的表面能约为 40 dynes/cm，因此处理后所需的表面能应达到 50-54 dynes。此时，液体即“润湿”或附着于表面。测量表面能“润湿”的常用方法是依据 ASTM D2578 测试方法，使用校准的达因液。

胶粘剂与固化

根据定义，“附着失效”发生在胶粘剂与被粘物（基材）的界面处。外观上，任何位置的残留胶粘剂都只出现在一个表面，而不在另一个基材被粘物上。在任何胶粘应用中，最优的接头设计都至关重要。粘接接头可能承受拉伸、压缩、剪切、剥离或劈裂力，且往往多种力同时作用。

许多半结晶聚合物的胶粘应用常采用结构胶粘剂（包括环氧树脂、丙烯酸类和聚氨酯类）。双组分环氧是将环氧树脂与固化剂混合，或采用“duo-pak”双管施胶器。为获得最佳剪切和拉伸强度，宜采用均匀的薄胶层（0.002 至 0.007 英寸）。完全固化通常需在 75°F 下约七天，但会因应用和环境条件而异。加热（120-210°F）可加快固化，使聚合更充分，并可提升环氧的性能。聚合物的热变形温度通常是成型后加热工艺的温度上限。烘烤时间和温度取决于具体应用。

一种常见的错误做法是多涂胶粘剂以提高粘接强度。胶粘剂过量有害，是粘接失效的主要原因之一。例如，环氧胶粘剂的热膨胀系数相对较高。胶层必须保持薄而均匀（通常为 3-5 mil，以获得最大剪切强度）。胶粘剂供应商可针对具体应用提供最佳胶层厚度的建议。预先定量的“duo-pak”施胶器可避免混合问题，并提供更精确的混合比例，还能实现更好的化学计量反应，带来更高的强度和更好的释气性能。

关于待粘接零件的表面纹理，成型后带纹理的表面除溶剂清洁和等离子体预处理之外，还能增强机械互锁附着力。纹理可在模具内加工，也可用 Scotch-Brite 百洁布手工处理。例如，NTMA 模腔表面处理“40-Diamond buffed 1200 Grit”很可能比“10-Fine Diamond 8000 Grit”（0-3 微米范围）更能提高粘接强度。即使是轻微的纹理表面也有益处。（参见图 3。）

总之，要实现半结晶聚合物的高强度附着粘接，建议如下：

• 确保树脂在成型前已充分干燥。
• 成型后尽快进行粘接。
• 用溶剂清洁零件表面，去除表面杂质和烃类污染物。
• 考虑采用等离子体表面预处理，以提高表面润湿性和化学官能化程度（在溶剂清洁之外）。
• 施涂薄而均匀的胶层。若产品表面带有纹理，还可获得额外益处。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖表面预处理、粘接、装饰与表面精饰、激光打标及产品安全。他从事新技术开发和制造问题解决已 30 多年。可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.adhesionbonding.com 联系 Sabreen。

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