附着粘接解决方案

面向复杂二维与三维粘接难题的专业工程服务——航空航天、医疗、汽车及消费品制造商信赖的先进技术与六西格玛方法。

粘接失效与塑料附着粘接

现场等离子体测试与表面科学培训

粘接失效与附着失效发生在两个相同或不同基材表面的界面处。粘接过程同时涉及胶粘力与内聚力。附着力失效的类型可根据这些力的强度，分为胶粘失效、内聚失效或基材失效。胶粘失效（即脱层）通常由基材本身的特性引起，包括其表面化学性质、表面能、表面处理方式及涂布工艺。内聚失效与胶粘剂自身的内部强度有关。基材失效与粘接过程无关，而是由基材本身的强度决定——即粘接强度超过基材本身。

附着力问题可借助精通聚合物与金属、化学品、胶粘剂、底漆、涂层、硅烷、等离子体预处理、表面质量、注塑工艺及检测方法的工艺工程专家迅速解决。

The Sabreen Group在利用先进技术与六西格玛工艺方法解决复杂二维及三维粘接问题方面取得了卓越成果。我们为广泛的应用领域开发创新解决方案，包括喷气战斗机、医疗、汽车、电子及消费品等。我们的一项专利工艺曾用于“沙漠风暴”行动期间的“智能炸弹”武器系统生产，并持续作为军事及NASA应用粘接卓越性的标准。另一项技术则可使外饰房屋应用中的聚烯烃产品实现卓越的水性涂层附着力性能。

SABREEN的技术广泛应用于当今众多知名军事与商业产品的制造，从国际空间站、药品到水下运动相机。SABREEN的工程技术为客户赢得了顶级行业奖项，包括制药/医疗包装年度产品奖，并入驻史密森尼国家博物馆。我们的早期项目介入可有效缩短项目周期。

SABREEN的创新解决方案

为多种材料与应用场景量身定制的胶粘、固化及预处理技术。

聚烯烃气密封接的定制胶粘与固化技术

定制预处理、喷墨化学品与UVLED固化

PPS保险箱表盘的等离子体预处理与定制油墨

弹性体可穿戴设备的突破性喷墨技术

聚碳酸酯上的光机胶粘防雾/增透/硬化涂层

聚烯烃瓶盖的等离子体预处理

汽车座椅的火焰层合工艺

获奖制药/医疗时尚计划生育携带盒

聚合物屋面瓦装饰/涂层仿板岩与雪松摇板，40年耐光、防火防风质保

全彩数字印刷配FDA耐化学品透明面漆，具备洗碗机稳定性

定制装饰与特效面漆仿软触感与木纹效果

完整技术参考

14个深度专题，涵盖成功附着粘接背后的科学原理、材料、方法与质量控制。点击任一专题深入了解。

接触角

接触角通常是从液相内部测量的角度，即气液界面与固体界面相交处所形成的角。接触角通过杨氏方程定量描述固体表面被液体润湿的程度。

表面能与润湿

许多塑料难以粘接的根本原因在于，它们是疏水性非极性材料，化学惰性强、表面润湿性差，即表面能低。尽管这些疏水（排斥水）特性对追求此类性能的零件设计师而言十分理想，却是需要粘接此类材料的制造商的天敌。稳健的附着粘接通常需要“亲水性”表面。为实现最佳附着，胶粘剂（涂层、油墨或涂料）必须充分“铺展”于待粘接表面（被粘物）。

“铺展”是指液体在表面流动铺开，以最大化胶粘剂与被粘物粘接面之间的接触面积和吸引力。液体要有效铺展于表面，胶粘剂的表面能必须等于或低于待粘被粘物的表面能；或者，基材的表面能须得到提升。

设想一个液滴在平坦固体表面处于静止（平衡）状态。固体表面与液滴上表面在端点处切线所形成的角称为接触角，即从液相内部，接触点处切线与固体表面水平线之间的夹角。气泡/液滴的形状源于分子力作用——所有液体通过表面收缩，倾向于将所包含体积形成表面积最小的形状。使表面收缩的分子间力称为“表面张力”。表面张力是表面能的量度，以dynes/cm（SI单位N/m）表示。

固体基材的表面能相对于液体（水、印刷油墨、胶粘剂/封装料、涂层等）的表面张力越高，其“润湿性”越好，接触角越小。一般而言，当基材表面能比液体表面张力高约8至10 dynes/cm时，即可实现可接受的附着粘接。

“表面润湿”——亲水表面与疏水表面的对比

化学表面活化

许多制造商倾向于仅凭接触角或其他润湿性测量作为判断粘接问题及开展常规表面测试的唯一指标。化学表面功能化同样至关重要——疏水表面可被活化为可粘接的亲水表面。气相“辉光放电”表面氧化预处理工艺用于化学表面活化。这些工艺的特点是能够产生“气体等离子体”——一种极具反应活性的气体，由自由电子、正离子及其他粒子组成。等离子体通常被描述为物质的第四态：随着能量的注入，固体熔化为液体，液体蒸发为气体，气体电离为“等离子体”。

在物理学科学领域，产生这些等离子体的机制各有不同，但其对表面润湿性的影响相似。基本化学与物理反应是：等离子体中产生的自由电子、离子、亚稳态粒子、自由基和UV能够以足够的能量撞击表面，断裂大多数聚合物基材表面的分子键。这在聚合物表面产生高度活泼的自由基，进而可在氧气存在的条件下，形成、交联或迅速反应，在基材表面形成各种化学官能团。可形成并提升可粘接性的极性官能团包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氢过氧基（HOO-）和羟基（HO-）。即使少量引入聚合物中的活性官能团，也对改善表面化学功能和润湿性大有裨益。此外，化学底漆/溶剂及机械磨削（包括模具纹理）可单独使用或与预处理工艺联合使用。

影响附着力与货架期老化的因素

预处理质量对于实现稳健附着力强度的影响取决于塑料表面的清洁度。表面必须清洁，方可实现最佳预处理效果及后续附着力。抑制处理效果的产品表面污染源包括灰尘、污垢、油脂和油污。低分子量材料（如硅酮、脱模剂和防滑剂）对粘接尤为有害。材料纯度同样是重要因素。此外，颜料和染料着色剂中使用的某些可溶或不可溶化合物也可能对附着力产生不利影响。

经处理塑料的货架期（处理老化降解）取决于树脂类型、配方及储存区域的环境条件。经处理产品的货架期受低分子量氧化材料（LMWOM）的限制，如抗氧化剂、增塑剂、滑爽剂和抗静电剂、着色剂和颜料、稳定剂等。经处理表面暴露于较高温度会增加分子链活动性。链活动性越高，预处理老化越快。等离子体处理表面以不同速率和程度老化，这与周围环境因素相关。老化特性及储存货架期对制造工艺操作至关重要。活化表面的货架期可能为数小时、数天、数月或更长。建议在预处理后尽快对产品进行胶粘、涂装或装饰。

等离子体表面预处理的选型

请认识到，每种表面预处理方法均因应用场景而异，各有其独特优势与潜在局限。为获得稳健的处理效果，请考量以下因素：

• 不同聚合物对氧化工艺的反应各异。聚合物基材的类型及其最终使用性能要求，是确定预处理方法选型的关键因素。
• 基材（待处理产品）是否具有导电性？例如，未组装的塑料电子连接器本体（不含金属接触引脚）可进行电处理，而已组装的连接器则可能出现电弧问题。
• 零件几何形状——平面相比深孔、极端锥度及其他形状不规则区域更易处理。润湿测试在小面积区域及高度纹理化表面上难以进行。
• 物料传输自动化：导电传送带和链条可能与传统电晕放电处理及点处理装置发生电弧放电。可考虑改用火焰处理、冷气体等离子体或低电位大气等离子体。
• 避免过度处理。过度等离子体氧化表面可能对热封/焊接等下游装配工艺产生不利影响。
• 并非所有预处理设备都质量相当。请实地检验设备系统的构造质量。电处理工艺方面，观察等离子体放电的均匀性；火焰处理方面，比较带状燃烧器与钻孔式燃烧器及燃烧系统部件的差异；冷气体等离子体方面，检查腔室构造质量、电极架，尤其是真空泵的制造商。

表面清洁度

检验表面质量的最佳方法——Surface Analyst™ 2001是一款手持数字设备，可在在线生产中无需使用化学dyne液即可测量接触角。该方法无损伤，零件可正常加工——不同于dyne液测试需要刮擦零件表面。Surface Analyst™由BTG Labs发明，旨在将精密表面测量技术置于车间技术人员手中，适用于表面状态至关重要的工序，如胶粘、涂装、涂层、印刷及去污处理。

该设备采用名为“弹道沉积”的专利技术，在基材表面沉积一滴高纯化水滴。通过已知水滴的体积和面积，设备计算出水与给定表面的接触角，并即时向用户反馈可量化数值或合格/不合格提示。设备提供的检测数据帮助用户确认基材是否已为附着工艺做好充分准备，可替代破坏性dyne液测试。手持装置可在任意方向操作，适用于光滑或带纹理表面，如纹理化TPO。该数据可用于持续工艺改进、识别预示潜在问题的质量漂移，或精确定位产品失效的根本原因。

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

dyne液的局限性

对于许多应用，使用dyne液按照书面测试程序检查静态平衡接触角可能已足够。应用套件或“dyne笔/液”提供有用信息，但并非表面张力的精确测量。表面张力测量因个体操作技术和对“中心”液体行为的判读而存在较大差异。Dyne笔/液已被证明是表面张力显著差异的方向性指示工具，能够以经济实惠的价格识别“好”与“差”的可粘接表面。相比dyne笔，瓶装dyne液因多次使用存在污染问题，通常更为可取。

胶粘与连接的失效机理

在任何胶粘应用中，最优接头设计至关重要。粘接接头可能承受拉伸、压缩、剪切、剥离或劈裂力，且通常是多种力的组合作用。粘接失效机理通常分为三种明显类型：

• 胶粘剂与某一被粘物之间界面处的附着失效
• 胶粘层断裂的内聚失效，在两个表面均留有附着痕迹
• 混合模式失效，同时表现出附着失效与内聚失效的特征

附着失效发生在胶粘剂与被粘物（基材）的界面之间。外观上，仅一个表面的某处会残留胶粘剂。现场发生的附着失效几乎总是源于制造过程，涉及材料、胶粘剂、表面准备、污染、操作规程/工艺水平、环境、质量控制测试及其组合因素。其余原因为界面降解，是使用寿命期间的函数。后者可在产品设计/资质认定阶段加以预防。

内聚失效导致胶粘剂断裂，其特征是两个被粘物（基材）的匹配面上均可见胶粘剂材料。内聚失效的粘接接头表现出高强度性能（达到最佳干态胶粘接头性能）。胶粘剂表面可能呈现“粗糙”外观，颜色可能比施加时的胶粘剂材料更浅。失效通常以剪切方式发生，但剥离应力或剪切与剥离的组合也可产生内聚失效。现场发生的内聚失效通常由接头设计不良引起，例如搭接长度不足或剥离力过大。过度孔隙率（湿度暴露）以及低于临界尺寸的孔洞存在也可能导致内聚失效。

混合模式失效同时表现出附着失效与内聚失效的特征，因为界面已部分降解。本质上，这种失效模式是一个过渡阶段，其中粘接接头的强度低于内聚失效强度。

→ 了解更多胶粘接头失效模式

表面粗糙度

表面粗糙度是固体表面不平整程度的量度，其尺度介于形状或波纹度量级以下、晶格结构不规则性以上。粗糙度的程度影响固体的润湿性。由于粗糙度与表面积增大密切相关，它影响固体的润湿性、液体的接触角和附着力。

对于待粘接零件的表面纹理（注塑状态），带纹理表面除溶剂清洁和等离子体预处理外，还可增强机械互锁附着力。纹理可在模具内实现，也可手动使用Scotch-Brite研磨垫完成。即使是轻微纹理表面（如C-3，320 Stone）也有益处。以下为SPI表面光洁度指南。

聚合物表面能数据

附着粘接应用中常用聚合物的表面能数据。点击表格可放大以完整阅读。

结构环氧胶粘剂的胶粘与固化

对于许多聚合物应用，双组分热固化结构环氧胶粘剂最为理想。双组分环氧胶由环氧树脂与固化剂混合组成，或采购“双管”点胶器。均匀、薄的胶线厚度（0.002–0.007英寸）为实现最佳剪切和拉伸强度性能所优选。

在75°F条件下，完全固化时间通常为七（7）天，但因应用和环境条件而异。通过加热（120–210°F）可加速固化，带来额外聚合反应，使环氧胶获得更好性能。烘烤时间和温度因应用而定。单组分环氧胶无需混合，但仅在添加热量（通常250–300°F）时固化。相比之下，双组分环氧胶的操作时间有限。

一个常见的错误做法是涂抹过量胶粘剂以提高粘接强度。过量胶粘剂有害且是粘接失效的主要原因之一。环氧胶粘剂的热膨胀系数相对较高。胶线应保持薄且厚度均匀（通常3–5 mil以实现最大剪切强度）。胶粘剂供应商可为您的具体应用提供最优胶线厚度的指导。预计量“双管”点胶器可消除混合问题，提供更精确的混合比例，并带来更好的化学计量反应，从而获得更优的强度与除气性能。

尼龙附着粘接工艺方法

聚酰胺，通称尼龙（Nylon），是一种半结晶聚合物。最常见的两种牌号是Nylon 6和Nylon 6/6。尼龙广泛应用于数千种汽车、航空航天、医疗和工业应用领域，适用于需要耐高温、耐溶剂、电屏蔽特性的零件。尽管这些特性对性能而言优异，但表面润湿性差和水分吸收是制造商面临的粘接挑战。

表面特性

尼龙聚合物本质上难以粘接，因为其疏水、化学惰性且表面润湿性差（即表面能低）。此外，尼龙具有吸湿性，可从大气中吸收超过其质量3%的水分。水分本身就会造成附着力问题。水分吸收速率取决于时间、相对湿度和温度。因此，应尽快在注塑工艺完成后进行粘接，或将零件密封于非聚乙烯袋中并放置干燥剂。尼龙树脂的正确干燥工艺对加工和零件性能至关重要。

稍等，从表面来看，上述论述似乎相互矛盾。尼龙究竟是疏水性还是亲水性？解开这一表观悖论的关键在于：尼龙的疏水行为是表面特性，而亲水行为是体相特性。

由于尼龙是有机聚合物，与大多数聚合物一样，其表面能相对较低。这是聚合物及其他有机物的表面化学与表面物理的结果。然而，尼龙链中的酰胺基团吸引水分，使该材料在体相吸水（BULK ABSORPTION）方面表现出亲水性。因此，在体相中，尼龙可表现为亲水材料，而在表面则可表现出疏水行为。

清洁与预处理

表面制备对于实现高附着粘接强度至关重要。表面必须清洁，无灰尘、油脂和油污污染。低分子量材料（LMWM）如硅酮、脱模剂和防滑剂会抑制粘接。为彻底清洁尼龙表面并去除LMWM材料，请使用甲苯、二甲苯、丙酮或MEK（遵照公司溶剂使用规定和当地法规）。酒精是弱溶剂，仅能去除表面灰尘，无法去除烃类污染物。必须始终采用正确技术，包括使用无棉纤维布和戴无粉手部防护手套。溶剂过量会在表面形成未去除化学品的薄弱边界层，留下雾状积聚物，阻碍粘接。

尼龙粘接应用通常需要在溶剂清洁后立即进行等离子体预处理。尼龙的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RF冷气。这些工艺的特点是能够产生“气体等离子体”——一种极具反应活性的气体，由自由电子、正离子及其他粒子组成，同时发生化学表面功能化。在物理学科学领域，这些等离子体的产生机制各有不同，但其对表面润湿性的影响相似。每种方法均因应用场景而异，各有优势和/或局限。例如，电处理工艺无法去除/清洁所有多环芳烃，因此可能需要继续进行溶剂清洁。RF冷气预处理可去除烃类，因此无需预清洁。

一般而言，当基材表面能比液体或胶粘剂的表面张力高约10 dynes/cm时，可实现可接受的附着粘接。未经处理尼龙的表面能约为40 dynes/cm。因此，所需的处理后表面能需在50–54 dynes范围内。在这种情况下，液体被认为可“铺展”或附着于表面。测量表面能“润湿性”的常用方法是按照ASTM D2578测试方法使用校准dyne液。

脱模剂与增塑剂引起的附着力问题

部分脱模剂声称可适用于涂装，但许多脱模剂会对涂层附着力产生不利影响。可能需要多种技术来去除这些用于辅助塑料零件脱模的助剂。蜡型脱模剂有时可通过溶剂清洁去除，但这类脱模剂不推荐用于待涂装零件。由于VOC排放限制及许多溶剂潜在的火灾与健康危害，溶剂使用几乎自动受到限制。水溶性脱模剂更为优选，可用普通水性清洗液从塑料表面轻松去除。

脱模剂也可与塑料配方混合，称为内部脱模剂。应尽可能避免使用内部脱模剂。可涂装性可能立即受损，也可能不受影响，且QA附着力测试可能显示优异的初始附着力。然而，在某些情况下，内部脱模剂会缓慢迁移至零件表面，并在零件涂装后数月导致涂层附着失效。增塑剂可加入成型树脂以提高冲击强度，但通常会像脱模剂一样降低涂层附着力。某些增塑剂会缓慢迁移至表面，软化塑料与涂层之间的界面，导致附着力损失。在这种情况下，初始涂层附着力测试也可能完全合格，但零件投入使用后，涂膜从塑料表面的抬起或分离随后发生。这可能在零件投入使用很久后导致昂贵的现场失效和责任索赔。

附着力与耐磨耐久性的测量技术

固化涂层与油墨的附着力和耐磨耐久性是两项关键性能特性，其测量与控制对于稳健的制造生产至关重要。附着力和耐磨耐久性是独立的物理性能，在失效模式分析中常被误诊。附着力差和耐磨耐久性差是现场失效、废品和返工、利润下降及客户不满的主要原因。相应的测量技术已存在。

附着力与耐磨性的区别

固化涂层与油墨在塑料基材上的最优附着力和耐磨耐久性（抗性）必须在制造过程中实现，以生产出能在整个使用寿命内经受考验的高质量产品。这些性能可相互依存，但通常相互独立。即固化涂层和油墨可能表现出良好附着力和差耐磨性，或差附着力和良好耐磨性。适当的测试及对附着力和耐磨性的理解可确保符合规范，对解决涂层和印刷问题具有重要价值。识别失效机理（附着力（内聚力）、耐磨性或两者）将决定工程工艺解决方案。历史测试方法与新型仪器均可用于测量和分析这些性能。

附着力测试方法

ASTM D 3359胶带试验测量附着力的标准测试方法因其简便性和低成本，历史上可能是涂层和油墨附着力测试中最知名和最广泛使用的方法。开展胶带测试的最基本程序包括以下步骤：

• 就胶带型号选择达成一致
• 涂层和油墨必须在测试前完全固化。
• 按方法A在涂膜上划X形切口，或按测试方法B以每方向六或十一道划线形成网格图案。
• 从卷筒分配器上撕去并丢弃两层胶带。
• 用手指将胶带抚平，然后用铅笔末端橡皮擦或类似物用力摩擦。胶带下方的颜色是完全接触的良好指示。
• 在粘贴后60–120秒内，通过快速（切勿猛拉）将游离端向后拉至尽可能接近180度角来揭除胶带。
• 检查切割区域涂层从基材脱落情况，并根据预定描述和图示分类（0B、1B、2B、3B、4B、5B）对附着力进行评级。

定制工程解决方案的实际应用

SABREEN的技术驱动着当今众多最知名产品——从国际空间站、药品到水下运动相机和军事国防系统。

让SABREEN的专业经验为您的企业创造价值

The SABREEN Group在国际上被广泛认可为塑料工艺制造专家。我们为各类应用（包括极端环境可靠性需求）开发并实施稳健的工艺解决方案，从任务关键型零缺陷喷气战斗机座舱盖弹射系统到无人机、电子产品和水下结构。SABREEN拥有逾40年的实地操作经验，撰写了150余篇技术论文，提供定制工程附着粘接工艺解决方案。我们在您的现场工作时，会携带等离子体预处理和表面分析设备，在您的生产线上演示附着解决方案。

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