聚苯硫醚的附著接合方法

聚苯硫醚的附著接合方法

聚苯硫醚（PPS）是一種高溫半結晶工程熱塑性塑膠。在業界，PPS 被稱為性能如同金屬的塑膠。可以說，它是最難與自身或異種材料（如鋁與鈦）黏接的聚合物之一。要成功黏接 PPS，需要瞭解其化學與物理性質，因此每種應用對樹脂牌號模數的要求各不相同且至關重要。本文介紹經現場驗證的案例研究技術，以取得高強度附著接合。

重點摘要

• 未處理的 PPS 約為 38 dynes/cm，遠低於相容環氧樹脂 45–50 dynes/cm 的表面張力。
• 處理後應以 60–70 dynes/cm 為目標。此時黏接最為穩固，且保存期限可延長至兩年或更久。
• 以 275–300°F 成型。低於此溫度，PPS 會保持非晶態，並在日後使用中結晶，導致尺寸與性質改變。
• 以丙酮或 MEK 進行溶劑清潔。酒精、二甲苯與甲苯可去除污垢，但無法去除碳氫化合物污染。
• 環氧樹脂應在 300–350°F 下固化，溫度以零件實測為準，而非烘箱設定值，並將膠層厚度維持在 0.002–0.007 英吋。

常見問題

為什麼 PPS 如此難以黏接？

PPS 具化學惰性、表面能低，且在所有先進工程塑膠中具有最廣泛的耐腐蝕性。使其具備價值的惰性，同時也意味著黏著劑無法潤濕其表面。未處理的 PPS 約為 38 dynes/cm，對水的接觸角約為 80.3°。

PPS 經前處理後應達到多少表面能？

至少 48–54 dynes/cm，以超過相容環氧黏著劑 45–50 dynes/cm 的表面張力。實務上，最穩固的黏接發生在 60–70 dynes/cm，且較高的處理程度可將前處理保存期限延長至兩年或更久，這在聚合物中並不常見。

模具溫度會影響黏接嗎？

影響很大。PPS 必須在 275 至 300°F 下成型，才能達到完全結晶狀態。若以較低溫度成型，則會保持非晶態，當使用溫度（包括黏著劑固化熱）超過成型溫度時會結晶，導致尺寸與性質改變。40% 玻纖填充 PPS 的熱變形溫度，從非晶態的 350°F 升至結晶態的 500°F 以上。

應使用哪種溶劑清潔 PPS？

依公司政策與州法律，使用丙酮或甲基乙基酮，以去除矽氧樹脂、脫模劑與防滑劑等低分子量物質。避免使用過量溶劑，因為過量溶劑會留下弱邊界層與霧狀殘留，妨礙黏接。

表面紋理有助於 PPS 黏接嗎？

有。紋理可形成機械咬合。NTMA「40 — 鑽石拋光 1200 號」等模具表面處理，通常表現優於「10 — 細鑽石 8000 號」。對於連接器與凹陷孔，模具中的蝕刻型芯針非常有效。

PPS 的性質

PPS 的性質與 PEEK 及 LCP 等其他高溫高性能塑膠類似，取決於其結晶行為。PPS 具化學惰性、表面能低，在所有先進工程塑膠中具有最廣泛的耐腐蝕性。它被用於數以千計的汽車、航太、醫療與工業應用，這些應用需要耐高溫、耐溶劑、具電氣屏蔽的零件。PPS 本質上具阻燃性，使其成為飛機結構、引擎蓋下動力傳動與燃油系統零組件、水泵葉輪等的理想材料。這些特性雖然非常適合性能需求，但表面潤濕性差卻成為製造商的黏接挑戰。

市售的 PPS 有兩種不同形式：「支鏈型」分子結構與「線型」。最廣為人知的品牌包括 Ticona Fortron® 與 Chevron Phillips Ryton®。支鏈型往往更為剛硬；線型通常提供更好的機械與撓曲強度，以及更高的熔體穩定性。線型 PPS 的離子雜質也較少1。在標準 PPS 中加入玻璃纖維（30% 與 40%）以及玻璃纖維／礦物混合物，可用於特殊且要求嚴苛的應用。電子產品製造商通常選用 40% 玻纖填充 PPS 製作絕緣與連接器產品。設計人員會針對現場性能特性、接頭模具設計與初級加工，謹慎評估支鏈型或線型、填充或未填充的選擇。遺憾的是，這些選擇對二次製造作業，尤其是附著接合製程的影響，通常較少受到重視。

初級加工

正確加工 PPS 對於達到該材料的既定性能至關重要。PPS 產品不具吸濕性，因此不會像尼龍（聚醯胺）那樣出現尺寸膨脹問題。然而，成型零件時使用乾燥的樹脂仍然很重要，因為水分本身就有問題。高水分含量可能造成空洞，對零件性能產生不良影響、影響附著並改變外觀。乾燥與加工之間的時間應盡可能縮短。PPS 應使用除濕料斗乾燥機乾燥。不建議使用熱風烘箱，但若格外小心亦可使用。不建議使用此類烘箱的原因是：a) 如果托盤填得過高（超過 1-1.5 英吋），托盤底部的材料無法正確乾燥；b) 如果烘箱中（在不同托盤上）同時乾燥數種不同材料，粒料很容易掉落到下層托盤，造成下層托盤材料受到污染。2

要達到完全結晶狀態，模具溫度至少需達華氏 275 至 300 度。當 PPS 在低於華氏 275 度下成型時，成型品為非晶態或半結晶態，並會保持該狀態，直到暴露於較高的使用溫度（包括黏著劑的熱固化）。若使用溫度超過成型溫度，零件將更趨結晶化，造成尺寸與性質改變。例如，以非結晶狀態成型的 40% 玻纖填充 PPS，其熱變形溫度（HDT，@264 psi（1.8 MPa））僅為華氏 350 度，但在結晶狀態下會增至 >華氏 500 度（攝氏 260 度）。這對於計算實現完全化學交聯所需的最佳黏著劑固化溫度與時間（取決於烘箱中的零件數量與總質量）至關重要。此外，模具溫度對表面外觀有顯著影響。黏接製程應在成型作業後盡快進行，或將零件以非聚乙烯袋緊密包裝。

表面清潔

對於 PPS 產品，表面清潔度與電漿前處理是取得高強度黏接的關鍵先決條件。表面必須不含污垢、油脂與油類污染。矽氧樹脂、脫模劑與防滑劑等低分子量物質（LMWM）會妨礙黏接。要以溶劑清潔 PPS 表面並去除 LMWM 物質（依公司政策與州法律），建議使用丙酮或甲基乙基酮（MEK）。二甲苯、甲苯與酒精（IPA）等較弱的溶劑可用於去除表面污垢，但無法去除碳氫化合物污染。避免使用過量溶劑，因為它可能產生未去除化學品的弱邊界層，留下妨礙黏接的霧狀累積物。任何時候都應使用正確的操作技巧，包括使用無棉絮擦拭布並佩戴無粉防護手套。溶劑清潔對外露可及的表面有效，但對電子連接器應用中常見的小口徑孔等遠端隔離區域，通常並不實際。電漿處理製程在同時清潔並前處理所有表面方面，具有不同程度的效果。

表面氧化前處理

瞭解為何需要前處理，以及前處理如何提高附著黏接強度的機制，十分重要。許多塑膠之所以難以黏接，根本原因在於它們是疏水的非極性材料、具化學惰性，且表面潤濕性差（即表面能低）。這些性能特性雖然非常適合設計人員，卻是需要黏接這些材料之製造商的剋星。一般而言，當塑膠基材的表面能比液態黏著劑、塗料或油墨的表面張力大約 8-10 dynes/cm 時，即可取得可接受的附著。此時液體會「潤濕」或附著於表面。量測表面能「潤濕」的一種方法，是依據 ASTM D2578 使用校準過的達因液。

未處理 PPS 的表面能約為 38 dynes/cm（計算得出與水的接觸角為 80.3°）。相容環氧樹脂黏著劑的表面張力為 45-50 dynes/cm。因此，計算所得的處理後表面能必須至少在 48-54 dynes/cm 的範圍內，此時液體會「潤濕」或附著於表面。實務上，當表面能為 60-70 dynes/cm 時，PPS 可達到最穩固的黏接。這種較高的電漿處理程度還有一項額外好處，即延長前處理的保存期限，可達兩年或更久。其他聚合物通常沒有這種情況。

由於 PPS 的非極性疏水特性，PPS 附著接合應用通常需要在溶劑清潔後立即進行電漿表面前處理，以提高表面能並提供化學官能性。PPS 常見的前處理包括電暈放電（電氣式）、大氣吹送離子、火焰電漿與 RF 冷氣體（低壓）。這些製程的特徵是都能產生「氣體電漿」，即由自由電子、正離子與其他物種組成的極具反應性氣體。同時也會發生化學表面官能化。3 在物理學上，這些電漿的產生機制雖不同，但對表面潤濕性的效果相似。每種方法皆依應用而異，各有優勢和／或限制。4 需考量的因素包括零件幾何形狀、物料搬運自動化，以及基材的導電特性。黑色 PPS 因多種原因而常被選用。由於碳黑可能具有不同程度的導電性，謹慎評估電氣式前處理方法，以確保處理過程中不發生電弧，十分重要。電弧可能會降低電子元件所必需的絕緣電阻材料特性。

傳統電暈放電（電氣式）是使用連接高壓電源的產生器與電極、零電位的對向電極，以及用作阻隔的介電質而取得的。也就是說，高頻高壓放電（升壓變壓器）在兩點之間產生電位差，需要接地，電壓 35+kV、頻率 20-25kHz。客製化的電極配置可處理許多不同的表面幾何形狀，如平面、曲面、凹陷、孤立等。一個專門應用的例子是用於電連接器的電暈放電處理系統，其中結合針形與球形電極，可同時處理多個平面上的三維小口徑孔（= 0.0305 英吋）與平坦外表面，美國專利 US5051586（1991）。對於 PPS 軍用連接器，前處理保存期限超過兩年。電放電會在電漿區產生臭氧。電暈放電幾乎沒有清潔能力（見第 36 頁圖 1）。

大氣電漿或電氣式吹送離子電漿（亦稱聚焦電暈電漿）使用單一窄噴嘴電極，由電力產生器、升壓變壓器與高壓空氣供電，在處理頭內產生強烈的聚焦電漿並向外噴出。這種前處理製程可清除基材上的污垢、碎屑及部分碳氫化合物，但無法去除大多數矽氧樹脂與滑爽劑。新研究指出，表面的細微蝕刻可形成新的表面形貌，以增加機械式結合。臭氧不是副產物，但會產生氮氧化物（NOx），其氣味可能與臭氧極為相似而令人誤判。

火焰電漿處理利用空氣與碳氫氣體燃燒時存在的高反應性物種（以產生電漿）。雖然火焰處理為放熱反應，但熱量並不會產生化學官能性與改善的表面潤濕。火焰處理可清除基材上的污垢、碎屑及部分碳氫化合物，但無法去除矽氧樹脂、脫模劑與滑爽劑。由於距離表面的處理深度相對較淺，為 5-10nm，火焰處理可比電氣式前處理賦予更高的潤濕性、氧化程度與保存期限。不產生臭氧。採購火焰處理燃燒器時，請比較帶狀與鑽孔式噴口，以及零壓平衡調節器的優點。

冷氣體電漿亦稱「低壓冷氣體電漿」，與大氣（空氣）表面前處理方法相比，是在封閉的抽真空腔體內進行。通常使用工業級 100% 氧氣（O2）。氣體在部分真空下釋放到腔體中，並受到 RF 電場作用。置於電漿場中的聚合物（位於內部導電電極鋁製層架或籠架上），與所產生的高反應性物種發生反應，打斷分子鍵，從而造成清潔與化學／物理改質（包括表面粗糙度增加，可改善機械式結合）。冷氣體電漿製程的一項顯著優點是去除碳氫化合物，因而免除溶劑清潔。大氣式前處理無法去除／清潔所有多環芳香烴，因此（在前處理之前）可能仍需進行溶劑清潔。

黏著劑與固化

在任何黏著劑黏接應用中，最佳的接頭設計都至關重要。黏接接頭可能承受拉伸、壓縮、剪切、剝離或劈裂力，且通常是多種力量並存。對於許多 PPS 應用，雙組分、可熱固化的結構環氧黏著劑是理想選擇。均勻且薄的膠層厚度（0.002 至 0.007 英吋）有利於取得最佳的剪切與拉伸強度性能，同時氣孔濃度也較低。只要可能，特別是對於無支撐的接頭，在黏著劑固化／冷卻期間應夾持基材。

對於玻纖填充 PPS 應用，其結晶狀態下的熱變形溫度 >華氏 500 度。因此，烘箱固化溫度可安全地介於華氏 300 至 350 度之間。需注意，這是固化期間零件所達到的溫度，可能與烘箱設定值不同。避免堆疊零件。零件應持續保持在該溫度直到完全固化，以確保黏著劑完全交聯。固化不足（溫度／時間）是造成附著不良最常見的問題之一。依定義，「附著不良」發生在黏著劑與被黏物（基材）之間的界面。從外觀上看，殘留的黏著劑僅出現在其中一個表面的任何位置，而不在第二個基材被黏物上。

除了溶劑清潔與電漿前處理之外，成型時形成的紋理表面可增加機械咬合式附著。紋理可在模具內完成，或使用 Scotch-Brite 菜瓜布以手動方式完成。例如，NTMA 模穴表面處理「40-鑽石拋光 1200 號」相較於「10-細鑽石 8000 號」（0-3 微米範圍），可能提升黏接強度。即使是輕微的紋理表面也有助益。對於連接器產品與其他凹陷孔應用，模具中的蝕刻型芯針非常有效。

總而言之，為取得 PPS（30-40% 玻璃纖維填充）與熱固化環氧黏著劑的高強度附著接合，我建議如下：

• 確保 PPS 樹脂在成型前妥善乾燥，並以華氏 275 至 300 度成型
• 成型後盡快進行黏接製程
• 以溶劑清潔零件表面
• 使用電漿前處理，以增加表面潤濕與化學官能化
• 塗佈均勻且薄的黏著劑膠層
• 以華氏 300 至 350 度烘箱固化

如果對產品表面進行紋理處理，還可獲得額外的好處。請注意，當發生過度處理時，經電漿氧化的表面可能對下游組裝製程造成不良影響，例如熱封／焊接不良。經電漿處理的表面，其老化速率與程度會因周圍環境因素（包括溫度與濕度）而異。

要取得 PPS 產品的穩固黏著劑黏接，需要涵蓋設計、材料性質以及初級與二次作業的整體解決方案系統性方法。電漿氧化可解決許多附著問題，但最佳方法的選擇取決於許多因素，包括設備製造商。化學、機械或電漿前處理可組合使用，以增強黏接結果並將製程變異降至最低。

參考文獻

• “Designing with Plastics”, E-Publication, International Association of Plastics Distribution magazine, Dec. 2003.
• “Fortron® PPS Processing and Troubleshooting Guide”, Ticona Polymers, 1999.
• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995.
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting & Pretreatment Methods,” Plastics Decorating, 2002.

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程顧問公司，服務涵蓋表面前處理、黏接、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。Sabreen 開發新技術並解決製造問題已超過 30 年。歡迎撥打 972.820.6777，或造訪 sabreen.com 或 plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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