某些聚合物基材很难粘接，比如聚烯烃PE/PP等，氟化合物PTFE和硅橡胶等。主要原因是这些材料的低表面能，不像金属，陶瓷和其他聚合物容易粘接。低表面能材料妨碍了胶粘剂紧密接触材料表面，从而降低了粘接力。

 

为了更好的粘接这些低表面能材料，就需要非常关注那些胶和基材的界面情况。正确的进行界面表面处理和胶粘类型的选择是关键。这些粘接的机理和基础的粘接理论高度相关。

 

以下让我们讨论，如何更好地粘接低表面能材料。

 

基材的表面能

 

粘接的吸附理论阐述了两种材料分子接触的范德华力，建立紧密接触的过程是胶粘材料对被粘材料的浸润过程。一旦充分粘接接触以后，胶粘材料的本身的内聚强度是一个良好粘接必要的条件。

 

好的和差的浸润

好的浸润是胶水厚度均匀分布在基材表面，就像环氧树脂分布在金属表面。差的浸润是胶水成液滴状在基材表面，如环氧树脂在氟化物表面。

下图说明了液体在不同表面能的浸润效果。

理想的浸润情况是，胶表面的张力小于基材的表面张力，关于粘接低表面张力的一个原则是：

好的浸润需要胶的表面张力远远小于基材的，差的浸润是胶的表面张力远远大于基材的。

 

像环氧胶那样类似的胶，在高表面能，如金属，玻璃表面，粘接效果好，而在低表面能，如聚乙烯，氟碳材料，粘接效果不好。

 

下图列出了常见被粘接材料的表面能。

 

常见液体的临界表面张力

 

如果面对一个胶粘工作，人们希望基于以上的数据，可以对各种材料都有很好的粘接效果，不管是低表面能材料还是高表面能的金属材料等。事实上，以上数据确实很有用。但很多情况还是有困难的，市场上的PE聚乙烯通常具有低分子量结构，在材料表面会有一个弱界面层，阻碍形成很好的粘接，包括氟碳材料也很难有好的方案。氟碳类材料表面很难浸润，即使用流动性和浸润性好的热熔胶也没有很好效果。行业研究者也在尝试用一些氟碳结构的环氧胶是否有很好的改善粘接。

 

通常人们关注：

  • 为什么有机硅和氟碳涂层有很好的脱模效果，大部分树脂都不能浸润。

  • 为什么煤油等接触基材后，扩散分布在基材表面后，形成弱边界层，大部分胶就不能很好浸润表面了。

如果基材表面做一个降低表面能的涂层，就很难做好粘接了。防涂鸦就是这样的原理。

 

粘合剂和基材混溶性

 

另外一个胶粘理论，扩散理论，也能帮助选择合适的胶粘剂。基础的理论就是相互接触的材料，胶粘分子会通过界面，慢慢渗透入另外一个材料。浸润就是胶粘的分子慢慢和基材的分子相互缠绕锚定，正如下图所示。其中有个条件就是胶粘分子和基材必须相互兼容。

扩散理论能解释为什么某些特定的单体，在配方或者底涂中，能够针对如PE材料那样低表面能材料形成很好的粘接。这个胶或者底涂在基材表面形成了很好的内部锚固，这些材料就不需要特别处理基材表面，也能形成很好的粘接。

 

表面处理工艺来优化界面

 

需要了解的是，一个高表面能的胶去粘接一个低表面能的材料，即使表面做粗糙化处理，仍然不能取得很好的粘接效果。表面粗糙度提高并不能改善表面能低的情况，因为表面的微小凹坑，胶水并不能填充进去，空气仍然留在胶里面。

这个增加表面粗糙度的措施，减少了有限粘接的面积，而且也增加了内部应力。所以针对低表面能材料的粘接，最好的方法是通过化学或者物理的方式，提高表面能。主动的去研磨低表面能材料的表面有时候是减少了粘接的力。同时，用清洁溶剂清洁低表面能材料的表面，去除脏污等，也不能提高表面能。

 

有几个表面处理的方法，可以提高那些塑料材料的表面能，这取决于：需要粘接的塑料；表面处理的方法和终端客户的最终要求。

 

有效的一些表面处理方法包括：

1.通过化学或者燃烧的方式氧化;

2.电冲击产生活性的表面;

3.电离惰性气体处理，可以导致化学的变化（如交联）或者物理的变化，使表面更具活性;

4.金属离子处理可以移除氟碳材料表面的氟原子;

5.使用底涂剂或者粘接力促进剂等;

 

针对一些热塑性的塑料，很多表面处理的工艺也较成熟了，下表列出了一些常见的解决方案。

 

其他表面前处理工艺

其他一些新型的表面处理方法一直在被研发中，特别是在汽车工业，航空工业上，这些新工艺会增加工程塑料的使用量。还有很多对塑料前处理的工艺，胶粘材料生产厂商和基材生产商是最主要的技术提供者。也有一些参考文献资料在市场上发行。ASTM D2093推荐了如何进行塑料被粘接材料的表面前处理。虽然很多溶剂加上热焊接的工艺，也可以紧固安装塑料，不使用传统的胶粘方案，但是对塑料表面进行处理，减少弱化边界层的影响也是需要的。

 

针对低表面能材料的粘合剂

 

虽然粘接低表面能材料很困难，但是仍然有很多胶水可以粘接塑料和其他材料。著名行业专家Pocius的文章也提供了多种方案。胶粘材料的物理和化学的特性都影响最终的粘接效果，除了表面能，还有胶粘材料的热膨胀系数，模量和玻璃态转化温度，都会产生影响。当粘接一个低表面能材料的时候，一般会考虑以下的一些内容。

 

减少界面的应力

胶和基材的热膨胀系数有明显的差异，会导致粘接界面应力增加。根据以往经验，粘接塑料和金属，往往热膨胀系数会有相差10倍左右。残留的应力在热循环和低温环境下会进一步放大。通常需要在胶里面添加助剂或者填料来改善这个热膨胀的差异。粘接塑料，如果胶层比较薄，并且模量比较低的话，很容易分层。需要使用硬一点的胶来粘接塑料。

 

结构胶

 

结构胶通常是单组分或者双组分的热固系统。非结构胶通常是热熔胶或者是压敏胶。虽然柔性环氧和聚氨酯胶用来粘接塑料，但是它们仍然不是最好粘接塑料的方案。通常使用强度高一点的，热固型丙烯酸胶，氰基丙烯酸酯或者光固化丙烯酸胶，氰基丙烯酸酯结构胶。结构胶的Tg点必须高于操作温度，这样可以避免胶的内聚失效以及可能的在测试时候的蠕变异常。一些工程塑料，如尼龙等，都有很高的Tg点。

 

下表列出了，常用于塑料粘接的结构胶和非结构胶类型。

 

热固型丙烯酸胶

 

不需要特别的表面处理，热固型丙烯酸胶可以直接粘接低表面能材料。如聚丙烯PP,聚乙烯PE，以及其他聚烯烃材料。材料特性让大家有理由相信，在胶固化前，丙烯酸酯的单体会渗透入基材，对于一些低密度聚乙烯适用。

 

热固型的丙烯酸胶通常是双组分的并且在室温可以快速固化，这里交联的结构胶适合粘接一些金属，工程塑料和其他很多材料。有一些丙烯酸结构胶的粘接实验数据可以参考。

 

氰基丙烯酸酯（快干胶）

 

通常是甲基或者乙基的氰基丙烯酸酯胶，单组分的液体。当粘接金属类比较坚硬的材料的时候，甲基类的比乙基类的强度更高更耐冲击。然而橡胶类或者塑料类的基材，用乙基类的会更好。

 

快干胶通常不适合粘接PE材料。胶的表面张力远大于基材。除非使用一些特殊的化学混合的底涂剂或者催化剂，才有粘接效果。这些底涂剂涂布在基材表面，当底涂干燥好以后，快干胶就可以正常粘接了。

 

光固化丙烯酸胶

 

典型的光固化丙烯酸胶用一些单体和低聚物做配方，再用紫外光固化。最新的技术可以用可见光固化。这些丙烯酸胶固化成热固型材料。这样就可以比传统的非交联的氰基丙烯酸酯类胶有更好的粘接效果。

 

基于配方和固化条件，光固化的丙烯酸胶可以得到偏硬的，高模量的，中等延展率的胶。胶水的粘度也可以从如水一样的低粘度到触变性很强的高粘度。

以下是用光固化丙烯酸胶的一些粘接数据：

最近光固化的快干胶被研发出来，将光引发剂加入乙烯基氰基丙烯酸酯的配方中，这类产品可以用于阴影区域，光照非常弱的地方的粘接。产品主要的优点是可以在微弱的光线下，可以快速表干。光固化快干胶也同时具有一般光固化丙烯酸胶的优点。但是光固化快干胶还是区别于光固化丙烯酸胶的，它们可以很好的粘接聚烯烃和氟碳材料，这样的粘接也需要使用特殊开发的底涂剂。

 

光固化快干胶也可以对高表面能材料有很好的粘接效果，就像传统的快干胶一样。下表就是列出了一些测试数据。

 

底涂剂和粘接促进剂

 

有很多案例，只是使用底涂剂就可以有很好的粘接效果，而不需要对表面进行处理。相比其他方案有优势，因为对表面处理可能，有环境危害物质；操作不方便；时间损耗；成本增加等情况。

使用底涂剂，虽然增加了一个步骤，但是对达到理想的粘接有好处。明显的作用是改善了粘接，而且底涂里面的溶剂也会挥发，底涂剂会均匀分布在粘接表面。以下是一些粘接的案例：

 

溶剂型的氯化聚烯烃：

这类经常用于低表面能的聚烯烃的底涂。材料主要是氯化聚乙烯或者氯化聚丙烯溶于溶剂内。在零件粘接的时候，可以用于油墨附着在聚丙烯材料上。

 

无溶剂的水性氯化聚烯烃：

这类是基于水性乳液的氯化聚烯烃。除了可以提高粘接力以外，还可以改善PP材料的阻水性。

 

氰基丙烯酸酯粘接聚烯烃基材用的底涂：

上面已经提过，粘接聚烯烃材料需要用底涂，根据快干胶的配方，设定合适的化学混合物底涂剂。诸如长链胺，四元铵盐和磷酸等可以纯料或者溶剂的形式涂布在聚烯烃材料表面，这些底涂非常溶于涂布或者刷涂，等液体干了以后，再用快干胶粘接，粘接力就有明显的提升。

 

三苯磷酸或者乙酰丙酮钴底涂剂：

这些是用来快干胶粘接聚丙烯或者低密度聚乙烯的底涂剂，粘接后，可以足够可靠性通过耐热水煮实验。

 

 

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