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被粘材料的表面處理與膠接
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提供商
美國科諾工業(yè)有限公司 （戰(zhàn)略投資公司：上海梭倫信息科技有限公司）
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（一）表面特性的影響
1、清潔度：金屬表面吸附著一層內(nèi)聚強度低的表面能低的污染層和氧化膜，這將降低膠接強度。一般地，金屬表面干凈時，接觸很小甚至為零。材料處理后接觸隨時間而變化，在空氣中易受環(huán)境氣氛的污染，接觸角升高，約5H后接觸角趨于穩(wěn)定。
表面處理前后的接觸角和膠接強度
| 金屬 | 處理方法
| 接觸角（度）
| 剪切強度Mpa
|
| 鋁
| 未處理 脫脂 H2SO4/Na2Cr2O7 H2SO4/Na2Cr2O7+高溫烘
| 67 67 0 78
| 17.2 19.3 36.3 25.5
|
| 不銹鋼
| 未處理 脫脂 H2SO4/Na2Cr2O7
| 50-75 67 10
| 36.6 44.3 49.7
|
| 鈦
| 未處理 脫脂 H2SO4/Na2Cr2O7
| 50-75 61-71 10
| 9.5 22.4 43.2
|
2、粗糙度 被粘材料表面用紗布打磨或噴砂處理，適當?shù)貙⒈砻娲只芴岣吣z接強度。糙化過程去除原先存在的表面層。形成新的表面層（凈化），而且噴砂表面比拋光表面有更大的實際膠接面積，表面太粗糙反而會降低膠接強度，因為過于粗糙的表面不能將膠粘劑良好侵潤 ，凹處易殘面空氣對膠接不利。
| 膠粘劑
| 重量比
| 固化條件（ºC/H）
| Upa
| |
| 噴砂
| 拋光
| |||
| 環(huán)氧-聚酰胺
| 70/30
| 74/16
| 58.3
| 27.8
|
| 60/40
| 74/16
| 57.7
| 34.6
| |
| 50/50/
| 74/16
| 59.0
| 38.2
| |
| 環(huán)氧-DTA
| 100/10
| 60/96
| 85.0
| 61.9
|
3、表面化學結(jié)構(gòu) 表面的化學組成與結(jié)構(gòu)對被粘材料的膠接性能、耐久性能、熱老化性能等都有重要影響，而表面結(jié)構(gòu)對膠接性能的影響往往是通過改變表面層的內(nèi)聚強度、厚度、孔隙度、活性和表面能來實現(xiàn)。
用鉻酸酸蝕鋁表面后，將鋁試樣侵泡在60ºC蒸餾水中清洗，很容易在表面生成以AL2O3.3H2O為主的氧化鋁水合物，其內(nèi)聚強度較低，厚度>
鉻酸蝕后清洗條件 Mpa 破壞類型 電子衍射法 外觀 自來水 60ºC 20.6 內(nèi)聚 無圖譜 無色 90ºC 20.0 內(nèi)聚 無圖譜 無色 蒸餾水 60ºC 6.4 粘附 單晶圖譜 虹色 90ºC 5.8 粘附 粉末狀圖譜 虹色 材 料 膠接強度（Mpa） 材 料 膠接強度 未處理 處理后 未處理 處理后 高壓PE 2.2 22.0 聚酯B 4.3 8.3 低壓PE 2.5 10.3 聚氟乙烯 2.0 9.0 尼龍6 6.0 27.8 聚碳酸酯 2.9 6.5 PS 4.0 28.2 聚丙烯 2.6 21.7 聚酯A 3.7 11.7 聚四氟乙烯 0.53 5.3
（二）表面處理方法
1、溶劑堿液和超聲波脫脂法：
溶劑脫脂法：常用擦洗法即用無油棉花（脫脂棉）沾溶劑如丙酮、汽油、甲苯等直接擦洗被粘材料表面。
堿液脫脂法：采用熱堿液中 處理油污表面，如30-55%磷酸鈉（Na4P2O7）、10-50% NaOH 、10-6%Na2CO3或30-85%的堿性硅酸鹽。 NaOH雖是強堿，由于其潤濕性能并不太好，又不易漂洗干凈，其效果不如堿 性硅酸鹽；堿性硅酸鹽由 SiO2 和Na2O 混合。比例為1：2時清 潔效果；比例為1：1時，適用于鋁材的清潔。
超聲波脫脂法：一般部件放在功率為20瓦/cm2的超聲波中處理20-60秒即可得 到足夠清潔表面。
2、機械加工：打磨和噴砂
砂紙打磨操作簡便，但均勻性較差，難以得到相同的重復效果。
噴砂法能迅速簡便的清除表面的污物，并產(chǎn)生不同粗糙度的表面。
3、化學腐蝕法：
被粘材料經(jīng)上述處理后須放在酸液或堿液中進行化學腐蝕處理。這可進一步除去表面上的殘留污物，并使表面生成具有良好內(nèi)聚強度的活化或鈍化氧化層，（嚴格控制水的純度）。
4、涂底膠法：
在處理好的表面上，先涂一層很薄的底膠，以改進膠接性能。
5、等離子體法
用等離子體法處理PE、聚丙烯、聚四氟乙烯等難粘材料的膠接強度大大提高，這是因為表面處理后接觸角降低，極限表面張力增加，因而改進膠粘劑對其侵潤和粘附力。
（三） 各種材料的表面處理與膠接
1金屬材料
1.1、鋁合金：按脫脂——堿液處理——鉻酸酸蝕處理法。 溶劑脫脂法只能除去鋁表面的污物使表層的自然氧化變得干凈；堿液法除去油污，又將表層自然氧化膜溶解在堿液中，并形成新的氧化膜；酸蝕法處理能溶解表層的自然氧化膜，并再生成一層致密而堅硬的氧化膜，膜厚為1-3um,內(nèi)聚強度高，吸附力強，因而膠接性能良好，酸蝕處理后的表面常是在自來水中漂洗干凈，并出現(xiàn)一層均勻水膜。待擦凈并在70°C以下烘干。
2Al（OH）3+3H2SO4 → Al2（SO） 4+6H2O
Na2CrO7+ H2SO4 → Na2SO4+2CrO3+ H2O
2Al+2CrO3 → Al2O3+ Cr2O3
美國標準處理H2SO4 ——重鉻酸鈉溶液配方：
Na2CrO7 1 （2.4%） （66-71°C）/10-12分 濃H2SO4 10 （22.4%） （66-71°C）/10-12分 蒸餾水 30 （73.2%）（66-71°C）/10-12分
英國標準處理配方： Cr2O3 5% 或 0 （60-65°C）/30分 Na2CrO7 0 或 7.5% （60-65°C）/30分 濃H2SO4 127.3% 或 27.3% 60-65°C）/30分 蒸餾水 67.7% 或 65.5% （60-65°C）/30分 1.2、碳鋼：在潮濕的空氣易氧化生成Fe2O3.n H2O.
（1）、溶劑脫脂——在濃HCL1份和H2O1份溶液中室溫浸泡5-10min——聚合漂洗干凈、擦干——烘干（93°C，10min）
（2）、溶液脫脂——在Na2CrO7（4份）、濃H2SO4 （10份）和30份蒸餾水溶液71-77°C下浸泡10min——其余同（1）。
（3）、溶液脫脂——在硫酸酸鈉（30份）、洗衣粉（3份）和水（96.7份）中于60-65°C下浸泡5-10min——漂洗干凈并在100-105°C烘干。
1.3、不銹鋼
（1）、脫脂后在100份濃H2SO4 和3份Na2CrO7溶液中于60-65°C下浸泡15min，洗凈烘干。
（2）、脫脂后在100份濃HCL、4份H2O2（30%）、20份甲醛（40%）和90份H2O 中于65°C浸泡10分鐘。洗凈后放在濃H2SO4 （100份）、Na2CrO7 （10份）和H2O（30份）于65°C下浸泡10min，洗凈烘干。
（3） 脫脂后在濃HCL（2份），六次甲基四胺（5份），H2O2（1份）和H2O（20份）中于65-70°C浸泡10min，洗凈烘干。
1.4、 鈦合金：
（1） 脫脂后在2.7g H2O2（50%）、9.6NaOH和1000mlH2O中室溫處理1-2H，洗凈烘干。
（2） 脫脂后在841ml濃HCL、63ml濃HF酸和89mlH3PO4中室溫浸泡2min，洗凈烘干（82-93°C下10-15min）。 選用膠粘劑有環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺、聚苯并咪唑等高溫膠。
1.5、鎂合金： 鎂合金是很輕的金屬，其表面活性大易生成氧化膜。鎂較耐堿，但易與甲酯反應，因此脫脂溶劑只能用丙酮、三氯乙烯等。
（1）、脫脂后在NaOH（80%）中于60-80°C下浸泡5-10min，洗凈放在1.8份Ca（NO3） 2、24份鉻酸、123份H2O中于室溫浸泡5-10min，洗凈烘干。
（2）、脫脂后在Cr2O3（17份）、NaNO3（20份）、105份醋酸和100份H2O中于室溫浸泡3min，洗凈烘干。 選用EPOXY——聚酰胺或EPOXY——橡膠型膠粘劑。
1.6、 銅： 銅在潮濕環(huán)境中易被腐蝕，尤其用乙二胺或DTA固化的環(huán)氧膠對銅的腐蝕作用更大。
（1）脫脂后在混合溶液中室溫浸泡3min，洗凈干燥，立即使用（混合溶液為濃HCL：FeCL3： H2O=50：20：30）
（2）脫脂后在溶液HNO3中浸泡約15min，并擦洗至所有腐蝕處消失至凈，烘干立即使用。選用EPOXY、聚酰胺、有機硅、酚醛、氯丁膠和丁腈膠等。
1.7、鋅
（1）脫脂后在HCL （6%）中于室溫浸泡4min，洗凈干燥立即使用。
（2）脫脂后在混合溶液中38°C浸泡5min，洗凈烘干。（混合溶液為Na2CrO7：濃H2SO4 ：H2O=1：2：8），甲環(huán)氧、聚胺酯、有機硅、酚醛等膠接。
2、高分子材料
2.1 高分子材料難粘的原因：
A 、表面性能很低，難以浸潤如硅橡膠。PTFE等。
B 、表面為非極性的，與膠粘劑之間作用力低。
Ｃ、表面易吸脂和其他低分子物質(zhì)，去除困難。
Ｄ、熱膨脹系數(shù)較高，易產(chǎn)生熱應力。
Ｅ、材料模量低，在界面易發(fā)生應力集中。（選用溶解度參數(shù)與被粘材料接近的膠粘劑；表面處理，以便提高膠接強度）