塑膠附著接合解決方案

附著接合解決方案

針對複雜 2D 與 3D 接合難題的專家製程工程——先進技術與六標準差方法，深受全球航太、醫療、汽車與消費品製造商信賴。

黏合失效與塑膠附著接合

到廠電漿測試與表面科學教育訓練

黏著失效與附著失效發生在兩個相同或相異基材表面的界面。接合過程同時涉及黏著力與內聚力。依這些力的強度，附著失效類型可分為黏著失效、內聚失效或基材失效。黏著失效（即剝離）通常由基材特性造成，包括其表面化學與表面能、表面處理及施工程序。內聚失效與黏著劑本身的內部強度有關。基材失效則與接合製程無關，而是基材自身強度的問題——接合強度高於基材本身。

由精通聚合物與金屬、化學、黏著劑、底漆、塗層、矽烷、電漿前處理、表面品質、成型作業與測試方法等領域的製程工程專家，可快速解決附著問題。

Sabreen 集團運用先進技術與六標準差製程方法，在解決複雜的二維與三維接合問題上成果卓著。我們為廣泛的應用開發創新解決方案，包括噴射戰鬥機、醫療、汽車、電子、消費品等。我們的一項專利製程曾在沙漠風暴行動期間用於製造「智慧炸彈」武器系統，至今仍是軍方與 NASA 應用的接合卓越標準。另一項技術則為戶外住宅應用的聚烯烴產品實現卓越的水性塗層附著性能。

SABREEN 的技術被用於製造當今許多最知名的軍用與商用產品——從國際太空站、製藥到水下運動相機。SABREEN 的工程為客戶贏得業界頂級獎項，包括入選史密森尼國家博物館的年度製藥／醫療包裝產品。我們的早期專案參與可加速專案時程。

SABREEN 的創新解決方案

為廣泛材料與應用量身打造的客製接合、固化與前處理技術。

聚烯烴氣密封裝的客製黏接與固化技術

客製前處理、噴墨化學與 UVLED 固化

PPS 保險箱轉盤的電漿前處理與客製油墨

彈性體穿戴裝置的突破性噴墨技術

聚碳酸酯上的光機械接合防霧／抗反射／硬化塗層

聚烯烴瓶蓋的電漿前處理

汽車座椅的火焰貼合

屢獲殊榮的製藥／醫療時尚避孕藥攜帶盒

聚合物屋瓦裝飾／塗裝模擬板岩與雪松木瓦，40 年耐光、防火與抗風保固

全彩數位印刷搭配 FDA 耐化學透明面漆，洗碗機穩定

客製裝飾與特效面漆模擬軟觸感與木紋

完整技術參考

14 個深度主題，涵蓋成功附著接合背後的科學、材料、方法與品質管控。點擊任一主題深入探索。

接觸角

接觸角是液-氣界面與固體界面相交處、通常透過液體測量的角度。接觸角經由 Young 方程式量化液體對固體表面的潤濕性。

表面能與潤濕

許多塑膠難以接合的根本原因，在於它們是疏水性非極性材料、化學惰性且表面潤濕性差——即表面能低。這些疏水（排斥水）特性對追求此類性能的零件設計師是理想的，卻是需要接合這些材料的製造商的天敵。堅固的附著接合通常需要「親水性」表面。要達到最佳附著，黏著劑（塗層、油墨或塗料）必須徹底「潤濕」待接合的表面（被黏物）。

「潤濕」指液體流動並覆蓋表面，使黏著劑與被黏物接合面之間的接觸面積與吸引力最大化。液體要有效潤濕表面，黏著劑的表面能必須等於或低於待接合被黏物的表面能；或者，必須提高基材的表面能。

設想一滴液體靜置（平衡）於平坦固體表面。固體表面與端點處上表面切線所形成的角稱為接觸角；即接觸點切線與固體表面水平線之間、透過液體測得的角度。氣泡／液滴的形狀源於分子力——所有液體都藉由表面收縮，使所含體積趨向表面積最小的形狀。使表面收縮的分子間力稱為「表面張力」。表面張力是表面能的一種度量，以 dynes/cm（SI 制 N/m）表示。

固體基材的表面能相對於液體（水、印刷油墨、黏著劑／封裝材、塗層等）的表面張力越高，其「潤濕性」越好，接觸角越小。一般而言，當基材表面能比液體表面張力高約 8 至 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的接合附著。

親水性與疏水性表面的「表面潤濕」對比

化學表面活化

製造商往往只關注接觸角或其他潤濕性測量，將其作為接合問題的唯一預測指標與例行表面測試依據。化學表面官能性同樣重要——疏水表面藉此被活化為可接合的親水表面。氣相「輝光放電」表面氧化前處理製程用於化學表面活化。這些製程的特徵是能產生「氣體電漿」——由自由電子、正離子及其他物種組成的極活潑氣體。電漿常被稱為物質的第四態：隨著能量供給，固體熔化為液體，液體汽化為氣體，氣體則游離為「電漿」。

在物理科學中，產生這些電漿的機制各不相同，但它們對表面潤濕性的影響相似。發生的基本化學與物理反應是：電漿中產生的自由電子、離子、介穩態粒子、自由基與紫外線，能以足以打斷大多數聚合物基材表面分子鍵的能量撞擊表面。這在聚合物表面產生極活潑的自由基，進而形成、交聯，或在氧存在下迅速反應，在基材表面形成各種化學官能基。可形成並提升可接合性的極性官能基包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氫過氧基（HOO-）與羥基（HO-）。即使少量活性官能基併入聚合物，也對改善表面化學官能性與潤濕性大有助益。此外，化學底漆／溶劑與機械磨蝕（包括模具紋理）可單獨使用或與前處理併用。

影響附著與保存期老化的因素

塑膠表面的潔淨度影響前處理的程度與品質，進而影響附著強度。表面必須潔淨才能達到最佳前處理與後續附著。妨礙處理的產品表面污染源包括灰塵、粉塵、油脂與油污。矽氧樹脂、脫模劑與抗滑劑等低分子量物質對黏接尤其有害。材料純度也是重要因素。此外，顏料與染料著色劑中使用的某些可溶或不可溶化合物也會不利於附著。

經處理塑膠的保存期限（處理老化劣化）取決於樹脂種類、配方與儲存區的環境。低分子量氧化物質（LMWOM）——如抗氧化劑、塑化劑、滑劑與抗靜電劑、著色劑與顏料、安定劑等——會縮短處理後產品的保存期限。處理過的表面暴露於高溫會提高分子鏈遷移率；鏈遷移率越高，前處理老化越快。電漿處理過的表面因周遭環境因素而以不同速率、不同程度老化。老化特性及其儲存保存期限對製造作業至關重要。活化表面的保存期限可能是數小時、數天、數月或更長。建議在前處理後儘快進行黏接、塗裝、噴漆或裝飾。

如何選擇電漿表面前處理

請認知每種表面前處理方法都是應用特定的，各有獨特優勢與潛在限制。為取得穩健結果，請考量以下因素：

• 聚合物對氧化製程的反應各不相同。聚合物基材的種類及其終端使用性能要求，是決定前處理方法選擇的關鍵。
• 基材（待處理產品）是否導電？例如，未組裝的塑膠電子連接器本體——不含金屬接觸針——可以用電氣方式處理，而已組裝的連接器可能出現電弧問題。
• 零件幾何——平坦表面比深凹槽、極端錐度及其他形狀不規則處更容易處理。潤濕測試在小面積與重度紋理表面上難以進行。
• 物料搬運自動化：導電皮帶與鏈條可能與傳統電暈放電及點處理器產生電弧。可改用火焰、冷氣體電漿或低電位大氣電漿。
• 避免過度處理。電漿過度氧化的表面可能不利於熱封／焊接等後段組裝製程。
• 前處理設備並非全都一樣。實地檢視系統建造品質：電氣處理製程要觀察電漿放電的均勻性；火焰處理要考量帶狀與鑽孔燃燒器及燃燒系統元件的差異；冷氣體電漿要檢視腔體結構、電極層架的品質，尤其是真空泵的製造商。

表面潔淨度

檢驗表面品質的最佳方法——Surface Analyst™ 2001 是一款手持數位裝置，可在產線上直接測量接觸角，無需使用化學達因液。此方法非破壞性，零件可照常繼續加工——不像達因液測試會刮傷零件。Surface Analyst™ 由 BTG Labs 發明，旨在將精密表面測量技術交到現場技術人員手中，用於表面狀態至關重要的作業，如黏著接合、噴塗、塗佈、印刷與除汙。

裝置採用名為「彈道沉積」的專利技術，在基材表面沉積一滴高度純化的水。藉由已知水滴的體積與面積，裝置計算水對特定表面的接觸角，並以可量化的數值或合格／不合格警示即時回饋使用者。裝置提供的檢驗數據可讓使用者判斷基材是否已為附著製程妥善準備，取代破壞性的達因液。手持裝置可在任何方向操作，適用於光滑或紋理表面，例如帶皮紋的 TPO。這些數據可用於持續製程改善、識別可能預示問題的品質漂移，或精確找出產品失效的關鍵原因。

BTG Labs Surface Analyst。照片由 BTG LABS 提供（513.469.1800）。

Dyne 測試液的缺點

許多應用只需依照書面測試程序，使用達因液檢查靜態平衡接觸角。應用套組或「達因筆／達因液」提供有用資訊，但並非表面張力的精確測量。表面張力測量會因個人（手法）與對「中心」液體行為的判讀而有相當差異。達因筆／液是表面張力顯著差異的方向性指標，能以經濟的價格辨別「好」與「壞」的可接合表面。瓶裝達因液比達因筆更佳，因為筆式多次使用有汙染問題。

黏接失效機理

最佳接頭設計在任何黏著接合應用中都至關重要。接合接頭可能承受拉伸、壓縮、剪切、剝離或劈裂力，且常為多種力併存。接合失效機制通常有三種：

• 附著失效——發生在黏著劑與其中一個被黏物之間的界面
• 內聚失效——黏著劑層斷裂，兩個表面都留有黏著劑痕跡
• 混合模式失效——同時呈現附著失效與內聚失效的特徵

附著失效發生在黏著劑與被黏物（基材）的界面。目視上，殘留黏著劑只會出現在單一表面的任意位置。現場發生的附著失效幾乎都源自製造過程：材料、黏著劑、表面處理、汙染、程序／工藝、環境、品管測試及其組合。其餘原因是界面劣化，為現場使用壽命的函數。後者可在產品設計／驗證階段預防。

內聚失效導致黏著劑斷裂，特徵是兩個被黏物（基材）的對接面上都可見黏著劑材料。以內聚方式失效的接合展現高強度性能（達到最佳乾式黏著接合特性）。黏著劑表面可能顯得「粗糙」，顏色可能比施工時的黏著劑材料淺。失效通常由剪切造成，但剝離應力或剪切與剝離的組合也會產生內聚失效。現場發生的內聚失效通常肇因於不良的接頭設計（如搭接長度不足）或過度的剝離力。過度孔隙（濕度暴露）以及低於臨界尺寸的空隙存在，也可能導致內聚失效。

混合模式失效同時呈現附著失效與內聚失效的特徵，因為界面已部分劣化。本質上,這種失效模式是一個過渡階段，此時黏接強度低於內聚失效強度。

→ 深入了解黏著接合失效模式

表面粗糙度

表面粗糙度是固體表面在其形狀或起伏的尺度以下、但在晶格結構不規則性以上的不平整程度。粗糙度影響固體的潤濕性。由於粗糙度伴隨著表面積增大，它影響固體的潤濕性、液體的接觸角以及附著力。

就待接合零件成型後的表面紋理而言，紋理化表面除了溶劑清潔與電漿前處理外，還能增加機械互鎖附著。紋理可在模具內完成，或使用 Scotch-Brite 研磨墊手工處理。即使是 C-3（320 號油石）等輕微紋理表面也有幫助。SPI 表面加工指南如下。

聚合物表面能數據

附著接合應用常見聚合物的表面能數據。點擊表格放大以便完整閱讀。

使用結構環氧樹脂的黏著劑與固化

對許多聚合物應用而言，雙組分熱固化結構環氧黏著劑是理想選擇。雙組分環氧需混合環氧樹脂與硬化劑，或採購「duo-pak」雙管施打器。均勻的薄接合層厚度（0.002 – 0.007 英寸）最有利於剪切與拉伸強度。

完全固化時間通常在 75°F 下約七（7）天，但因應用與環境條件而異。加熱（120-210°F）可加速固化，帶來額外聚合，使環氧獲得更佳性能。烘烤時間與溫度視應用而定。單組分環氧免除混合需求，但僅在加熱（通常 250-300°F）下固化。相較之下，雙組分環氧的可作業時間有限。

常見的錯誤做法是塗佈過量黏著劑以提高接合強度。過量黏著劑有害，是接合失效的主因之一。環氧黏著劑的熱膨脹係數相對較高。接合層須保持薄且厚度均勻（通常 3-5 mil 可達最大剪切強度）。黏著劑供應商可為您的應用提供最佳接合層厚度建議。預先計量的「duo-pak」施打器可消除混合問題並提供更精確的混合比，也帶來更佳的化學計量反應，產生更好的強度與除氣特性。

尼龍附著接合製程方法

聚醯胺，俗稱尼龍，是半結晶聚合物。最常見的兩個牌號是尼龍 6 與尼龍 6/6。尼龍用於數千種汽車、航太、醫療與工業應用，滿足耐高溫、耐溶劑、電磁遮蔽零件的需求。這些特性雖有利於性能，但差的表面潤濕性與吸濕性是製造商的接合挑戰。

表面特性

尼龍聚合物先天難以接合，因為它們疏水、化學惰性且表面潤濕性差（即表面能低）。此外，尼龍具吸濕性，會從大氣中吸收超過其質量 3% 的水分。水分本身就會造成附著問題。吸濕速率取決於時間、相對濕度與溫度。因此，重要的是在成型作業後儘快進行接合製程，或將零件與乾燥劑一起緊密包裝於非聚乙烯袋中。尼龍樹脂的正確乾燥程序對加工與零件性能至關重要。

等等——乍看之下，上述說法似乎自相矛盾。尼龍究竟是疏水還是親水？化解這個表面悖論的關鍵在於認識到：尼龍的疏水行為是表面特性，而親水行為是本體特性。

尼龍是有機聚合物，與大多數聚合物一樣表面能相對較低。這是聚合物及其他有機物表面化學與表面物理的結果。然而，尼龍鏈中的醯胺基會吸引水分，使該材料在「本體吸水」方面呈現親水行為。因此，尼龍在本體上可表現為親水材料，在表面上卻可能呈現疏水行為。

清潔與前處理

表面處理是達到高黏著接合強度的關鍵。表面必須潔淨，不含灰塵、油脂與油汙。矽利康、脫模劑與抗滑劑等低分子量物質（LMWM）會妨礙接合。要妥善清潔尼龍表面並去除 LMWM，可使用甲苯、二甲苯、丙酮或 MEK（須符合公司溶劑政策與州法律）。酒精是弱溶劑，只能去除表面灰塵，無法去除碳氫化合物汙染。全程須採用正確技術，包括無絨布與無粉防護手套。過量溶劑會形成未清除化學物的弱邊界層，留下霧狀堆積，妨礙接合。

尼龍接合應用常需在溶劑清潔後立即進行電漿前處理。尼龍的氣相表面氧化前處理包括：電暈放電、大氣電漿、空氣電漿、火焰電漿與低壓 RF 冷氣體。這些製程的特徵是能產生「氣體電漿」——由自由電子、正離子及其他物種組成的極活潑氣體，同時發生化學表面官能化。在物理科學中，這些電漿的產生機制各異，但對表面潤濕性的影響相似。每種方法都因應用而異，各有優勢或限制。例如，電氣前處理無法去除／清潔所有多環芳香烴，可能需要繼續溶劑清潔；RF 冷氣體前處理可去除碳氫化合物，因此無需預先清潔。

一般而言，當基材表面能比液體或黏著劑的表面張力高約 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的接合附著。未處理尼龍的表面能約為 40 dynes/cm，因此處理後的目標表面能需在 50-54 達因範圍。此時液體便會「潤濕」或附著於表面。測量表面能「潤濕」的常用方法是依 ASTM D2578 測試方法使用校準達因液。

脫模劑與塑化劑造成的附著問題

市面上有一些可塗裝的脫模劑，但許多其他脫模劑會不利於塗料附著。要去除這些幫助塑膠零件脫模的助劑，可能需要多種技術。蠟型脫模劑有時可用溶劑清潔去除，但此類脫模劑不建議用於待塗裝零件。由於 VOC 排放限制以及許多溶劑潛在的火災與健康危險，溶劑的使用幾乎自動不被鼓勵。水溶性脫模劑則好得多——用普通水性清潔劑溶液即可輕易將其從塑膠表面去除。

脫模劑也可能摻入塑膠配方中，稱為內部脫模劑。應盡可能避免內部脫模劑。塗裝性可能不會立即受損，品保附著測試也可能顯示初期附著優異。然而在某些情況下，內部脫模劑會緩慢遷移到零件表面，在塗裝數月後造成塗料附著失效。塑化劑可加入成型樹脂以提高衝擊強度，但常像脫模劑一樣降低塗料附著。有些塑化劑會緩慢遷移到表面，軟化塑膠與塗料的界面，導致附著力喪失。這種情況下，初期塗料附著測試可能完全合格，但之後塗膜會從塑膠表面掀起或剝離。這可能在零件投入使用很久之後，造成代價高昂的現場失效與賠償索賠。

附著力與耐磨性量測技術

固化塗層與油墨的附著力和耐磨性是兩項關鍵性能，其量測與控制是穩健製造的根本。附著力與耐磨性是彼此獨立的物理性質，在失效分析中常被誤診。不良的附著與耐磨性是現場失效、報廢與重工、利潤下滑及客戶不滿的主因。這些性質都有量測技術可用。

附著與耐磨

固化塗層與油墨對塑膠基材的最佳附著與耐磨耐久性（抗性）必須在製造過程中達成，以生產能在整個使用壽命中經久耐用的高品質產品。這些特性可能相互依存，但往往互斥——固化塗層與油墨可能附著好而耐磨差，或附著差而耐磨好。妥善測試並理解附著與耐磨，可確保符合規格，對解決塗佈與印刷問題極具價值。辨識失效機制——附著（內聚）、磨耗或兩者——將決定工程製程解決方案。既有歷史測試方法與新型儀器可測量與分析這些特性。

附著力測試方法

ASTM D 3359 膠帶測試附著力標準方法因其簡單與低成本，堪稱歷來最著名、使用最廣的塗層與油墨附著力測試方法。進行膠帶測試的最基本程序包括：

• 就膠帶選擇達成一致
• 塗層與油墨必須完全固化後才能測試。
• 依方法 A 在塗膜上劃 X 形切口，或依方法 B 以每方向六刀或十一刀劃出格子圖案。
• 從膠帶捲上撕除並丟棄兩圈膠帶。
• 用手指將膠帶撫平貼合，再用鉛筆尾端的橡皮擦等用力摩擦。膠帶下的顏色是完全貼合的良好指標。
• 貼上後 60-120 秒內，抓住自由端以盡可能接近 180 度的角度快速（勿猛拉）回拉撕除膠帶。
• 檢查切割區域塗層自基材剝離的情況，並依預定的描述與圖示分級（0B、1B、2B、3B、4B、5B）評定附著力。

客製工程解決方案實績

SABREEN 的技術支撐著當今許多最知名的產品——從國際太空站、製藥到水下運動相機與軍事防衛系統。

讓 SABREEN 的專業為貴公司創造效益

SABREEN 集團在國際上被廣泛公認為塑膠製程製造專家。我們為各類應用開發並落實堅實的製程解決方案，包括極端環境可靠性——從任務關鍵、零缺陷的戰鬥機座艙罩彈射系統，到無人機、電子產品與水下結構。SABREEN 擁有超過 40 年實務經驗、發表 150 多篇技術文獻，提供客製工程附著接合製程解決方案。當我們到您的廠區工作時，會攜帶電漿前處理與表面分析設備，直接在您的產線上示範附著解決方案。

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