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被粘材料的表面处理与胶接

2014-12-31 浏览量 2792

（一）表面特性的影响
1、清洁度：金属表面吸附着一层内聚强度低的表面能低的污染层和氧化膜，这将降低胶接强度。一般地，金属表面干净时，接触很小甚至为零。材料处理后接触随时间而变化，在空气中易受环境气氛的污染，接触角升高，约5H后接触角趋于稳定。
表面处理前后的接触角和胶接强度

金属


处理方法


接触角（度）


剪切强度Mpa


铝


未处理 脱脂 H2SO4/Na2Cr2O7 H2SO4/Na2Cr2O7+高温烘


67 67 0 78


17.2 19.3 36.3 25.5


不锈钢


未处理 脱脂 H2SO4/Na2Cr2O7


50-75 67 10


36.6 44.3 49.7


钛


未处理 脱脂 H2SO4/Na2Cr2O7


50-75 61-71 10


9.5 22.4 43.2



2、粗糙度 被粘材料表面用纱布打磨或喷砂处理，适当地将表面粗化均能提高胶接强度。糙化过程去除原先存在的表面层。形成新的表面层（净化），而且喷砂表面比抛光表面有更大的实际胶接面积，表面太粗糙反而会降低胶接强度，因为过于粗糙的表面不能将胶粘剂良好侵润 ，凹处易残面空气对胶接不利。

胶粘剂


重量比


固化条件（oC/H）


Upa


喷砂


抛光


环氧-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


环氧-DTA


100/10


60/96


85.0


61.9


3、表面化学结构 表面的化学组成与结构对被粘材料的胶接性能、耐久性能、热老化性能等都有重要影响，而表面结构对胶接性能的影响往往是通过改变表面层的内聚强度、厚度、孔隙度、活性和表面能来实现。
用铬酸酸蚀铝表面后，将铝试样侵泡在60oC蒸馏水中清洗，很容易在表面生成以AL2O3.3H2O为主的氧化铝水合物，其内聚强度较低，厚度>103A，使接头出现破坏，强度大大降低，并且能在铝试片表面观察到单晶或粉末状图谱以及虹色干涉现象。在热自来水中清洗时，填充效率很低，水合物生成较少，其表面看不到虹色或单晶图谱，胶接强度较高。因此，要得到高剥离强度，铝表面氧化物应该是无水的。

铬酸蚀后清洗条件


Mpa


破坏类型


电子衍射法


外观


自来水


60oC


20.6


内聚


无图谱


无色


90oC


20.0


内聚


无图谱


无色


蒸馏水


60oC


6.4


粘附


单晶图谱


虹色


90oC


5.8


粘附


粉末状图谱


虹色


（二）表面处理方法
1、溶剂碱液和超声波脱脂法：
溶剂脱脂法：常用擦洗法即用无油棉花（脱脂棉）沾溶剂如丙酮、汽油、甲苯等直接擦洗被粘材料表面。
碱液脱脂法：采用热碱液中 处理油污表面，如30-55%磷酸钠(Na4P2O7)、10-50% NaOH 、10-6%Na2CO3或30-85%的碱性硅酸盐。 NaOH虽是强碱，由于其润湿性能并不太好，又不易漂洗干净，其效果不如碱 性硅酸盐；碱性硅酸盐由 SiO2 和Na2O 混合。比例为1：2时清 洁效果最好；比例为1：1时，适用于铝材的清洁。
超声波脱脂法：一般部件放在功率为20瓦/cm2的超声波中处理20-60秒即可得 到足够清洁表面。
2、机械加工：打磨和喷砂
砂纸打磨操作简便，但均匀性较差，难以得到相同的重复效果。
喷砂法能迅速简便的清除表面的污物，并产生不同粗糙度的表面。
3、化学腐蚀法：
被粘材料经上述处理后须放在酸液或碱液中进行化学腐蚀处理。这可进一步除去表面上的残留污物，并使表面生成具有良好内聚强度的活化或钝化氧化层，（严格控制水的纯度）。
4、涂底胶法：
在处理好的表面上，先涂一层很薄的底胶，以改进胶接性能。
5、等离子体法
用等离子体法处理PE、聚丙烯、聚四氟乙烯等难粘材料的胶接强度大大提高，这是因为表面处理后接触角降低，极限表面张力增加，因而改进胶粘剂对其侵润和粘附力。

材 料


胶接强度(Mpa)


材 料


胶接强度


未处理


处理后


未处理


处理后


高压PE


2.2


22.0


聚酯B


4.3


8.3


低压PE


2.5


10.3


聚氟乙烯


2.0


9.0


尼龙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


(三) 各种材料的表面处理与胶接
1金属材料
1.1、铝合金：按脱脂——碱液处理——铬酸酸蚀处理法。 溶剂脱脂法只能除去铝表面的污物使表层的自然氧化变得干净；碱液法除去油污，又将表层自然氧化膜溶解在碱液中，并形成新的氧化膜；酸蚀法处理能溶解表层的自然氧化膜，并再生成一层致密而坚硬的氧化膜，膜厚为1-3um,内聚强度高，吸附力强，因而胶接性能良好，酸蚀处理后的表面常是在自来水中漂洗干净，并出现一层均匀水膜。待擦净并在70°C以下烘干。
2Al(OH)3+3H2SO4 → Al2(SO) 4+6H2O
Na2CrO7+ H2SO4 → Na2SO4+2CrO3+ H2O
2Al+2CrO3 → Al2O3+ Cr2O3
美国标准处理H2SO4 ——重铬酸钠溶液配方：
Na2CrO7 1 （2.4%）　 （66-71°C）/10-12分 　浓H2SO4 10 （22.4%） 　（66-71°C）/10-12分 　蒸馏水 30 （73.2%）（66-71°C）/10-12分
英国标准处理配方： Cr2O3 5% 或 0 （60-65°C）/30分 Na2CrO7 0 或 7.5% （60-65°C）/30分 浓H2SO4 127.3% 或 27.3% 60-65°C）/30分 蒸馏水 67.7% 或 65.5% （60-65°C）/30分 　　1.2、碳钢：在潮湿的空气易氧化生成Fe2O3.n H2O.
(1)、溶剂脱脂——在浓HCL1份和H2O1份溶液中室温浸泡5-10min——聚合漂洗干净、擦干——烘干（93°C，10min）
(2）、溶液脱脂——在Na2CrO7（4份）、浓H2SO4 （10份）和30份蒸馏水溶液71-77°C下浸泡10min——其余同（1）。
（3）、溶液脱脂——在硫酸酸钠（30份）、洗衣粉（3份）和水（96.7份）中于60-65°C下浸泡5-10min——漂洗干净并在100-105°C烘干。
1.3、不锈钢
（1）、脱脂后在100份浓H2SO4 和3份Na2CrO7溶液中于60-65°C下浸泡15min，洗净烘干。
（2）、脱脂后在100份浓HCL、4份H2O2（30%）、20份甲醛（40%）和90份H2O 中于65°C浸泡10分钟。洗净后放在浓H2SO4 （100份）、Na2CrO7 （10份）和H2O（30份）于65°C下浸泡10min，洗净烘干。
（3） 脱脂后在浓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，洗净烘干。
1.4、 钛合金：
(1) 脱脂后在2.7g H2O2（50%）、9.6NaOH和1000mlH2O中室温处理1-2H，洗净烘干。
(2) 脱脂后在841ml浓HCL、63ml浓HF酸和89mlH3PO4中室温浸泡2min，洗净烘干（82-93°C下10-15min）。 选用胶粘剂有环氧、酚醛、聚酰亚胺、聚苯并咪唑等高温胶。
1.5、镁合金： 镁合金是很轻的金属，其表面活性大易生成氧化膜。镁较耐碱，但易与甲酯反应，因此脱脂溶剂只能用丙酮、三氯乙烯等。
（1）、脱脂后在NaOH（80%）中于60-80°C下浸泡5-10min，洗净放在1.8份Ca(NO3) 2、24份铬酸、123份H2O中于室温浸泡5-10min，洗净烘干。
（2）、脱脂后在Cr2O3(17份)、NaNO3（20份）、105份醋酸和100份H2O中于室温浸泡3min，洗净烘干。 选用EPOXY——聚酰胺或EPOXY——橡胶型胶粘剂。
1.6、 铜： 铜在潮湿环境中易被腐蚀，尤其用乙二胺或DTA固化的环氧胶对铜的腐蚀作用更大。
（1）脱脂后在混合溶液中室温浸泡3min，洗净干燥，立即使用（混合溶液为浓HCL：FeCL3： H2O=50：20：30）
（2）脱脂后在溶液HNO3中浸泡约15min，并擦洗至所有腐蚀处消失至净，烘干立即使用。选用EPOXY、聚酰胺、有机硅、酚醛、氯丁胶和丁腈胶等。
1.7、锌
（1）脱脂后在HCL （6%）中于室温浸泡4min，洗净干燥立即使用。
（2）脱脂后在混合溶液中38°C浸泡5min，洗净烘干。（混合溶液为Na2CrO7：浓H2SO4 ：H2O=1：2：8），甲环氧、聚胺酯、有机硅、酚醛等胶接。
2、高分子材料
2.1 高分子材料难粘的原因：
A 、表面性能很低，难以完全浸润如硅橡胶。PTFE等。
B 、表面为非极性的，与胶粘剂之间作用力低。
Ｃ、表面易吸脂和其他低分子物质，去除困难。
Ｄ、热膨胀系数较高，易产生热应力。
Ｅ、材料模量低，在界面易发生应力集中。（选用溶解度参数与被粘材料接近的胶粘剂；表面处理，以便提高胶接强度）
2.2 含氟高聚物（聚四氟乙烯PTFE）
A、钠——萘——THF溶液腐蚀法。Rc=18.5dyn/cm将含氟材料表面用细砂纸打磨，丙酮洗涤，晾干于室温的处理液中浸泡1-15min，此时表面产生一层均匀棕色碳化薄膜（厚度约1um）。取出用丙酮或乙酸洗涤再用水洗净，晾干立即胶接或干燥后存放2-3月内均有良好胶接性能。
处理液配制：在三口瓶中放入升华精萘118-128g，加入去除过氧化物的四氢呋喃100ml。搅拌溶解后慢慢加入23-30g钠片，反应1-2H,溶液呈现绿色（在干燥的氮气中进行，严防O2和潮气影响）。处理液须在惰性气体和醋酸密封的干燥容器中可保存三个月之久，严防水汽和空气浸入。
经处理的PTFE用EPOXY——聚酰胺胶胶接，其室温为11mpa以上（PTFE/AL）。
B 熔融的醋酸钾法：在熔融的k+CH3COO-中于320-330°C处理6min，水洗干燥即可。
用有机硅胶、环氧胶、聚氨酯、酚醛——丁腈胶等粘接

处理方法


处理条件


对水浸润的接触角


Mpa


温度°C


时间秒


未处理


——


——


108


——


钠—氨


-70


20


63


11.1


钠—萘—THF


+20


10分


62


11.7


醋酸钾


+325


6分


66


11.4


2.3、聚烷烯烃（聚乙烯和聚丙烯）
A、锘酸氧化液配方：
Na2CrO7 5 浓H2SO4 8 H2O 100 PE极限表面张力为Rc=31dyn/cm。
PE和PP在66-71°C中浸泡1- 5min或80-85°C处理5-10秒或室温处理1-1.5小时。用环氧胶胶接时全部是被材料本身内聚破坏。PS可在Na2CrO7 （10份）和浓H2SO4 （90份）的氧化液中处理3-4min。
B 、等离子体法：处理时间约5秒，胶接强度可提高十倍至数十倍，PP经过处理后，Τ由0.7上升16.8mpa.。
胶接PE：环氧、醋酸乙烯酯——乙烯共聚物、聚氨酯、有机硅等。
胶接PP：环氧——聚酰胺、丁腈胶、聚氨酯等胶。
胶接PS：氯丁胶、氰基丙烯酸醋、聚氨酯、环氧胶等。
表面处理法对PE胶接强度的影响

胶粘剂


未处理


砂纸处理


化学氧化法


等离子体


环氧


3.2


13.8


33.7


32.6


聚酯


6.0


12.3


27.3


30.3


酚醛-丁腈


3.1


3.9


7.2


12.4


2.4、聚酯和聚碳酸酯
聚酯Rc=43dyn/cm， 聚酯表面结晶度高，必须降低结晶度和增加极性，可浸泡在20%的NaOH溶液于70-95°C处理10min. 聚酯薄膜（洗涤膜）用有机硅、聚氨酯、线型聚醋、聚酰胺、热熔胶等。 　　聚碳酸酯脱脂用砂纸打磨，用环氧、聚氨酯、不饱和聚酯等胶。
2.5、聚醚
聚甲醛和氯化物聚醚较难胶接，用丙酮脱脂后，在处理液中使表面活化。 Na2CrO7 5 浓H2SO4 8 H2O 100
聚甲醛处理条件为室温10-20秒；氯化聚醚为65-71°C下5-10分；
聚甲醛用丁腈胶、聚氨酯、环氧和酚醛——丁腈胶
氯化聚醚用丁腈胶和氯丁胶粘接。
2.6、聚酰胺
（1）细砂纸打磨在表面涂刷间甲酚树脂底胶，用环氧胶接；
（2）浸泡在80%苯酚水溶液中刷洗然后用水洗净烘干。
用丁腈胶、聚氨酯、聚酰胺、环氧、酚醛——丁腈胶接。
2.7、赛璐璐、聚甲基丙烯酸甲酯、硬质聚氯乙烯
经脱脂砂纸打磨即可
赛璐璐用丁腈胶、氯丁胶、热熔胶、聚氨酯等胶；
聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）：丁腈胶、氯丁胶、环氧等；
硬质聚氯乙烯：丁腈胶、氯丁胶、白乳胶、聚过氯乙烯、聚氨酯、环氧胶等。
2.8、聚酰亚胺：
用丙酮脱脂，在NaOH溶液5%于60-90°C下处理1分钟，胶接扯离强度提高15倍以上，采用环氧胶。
2.9、天然橡胶
脱脂后用砂纸打磨 ，再用乙醇或汽油擦净或在室温下浸泡浓H2SO4约15-20min，洗净烘干，用环氧、呋喃树脂、氯丁、丁腈、聚氨酯。
2.10、合成橡胶
脱脂后用砂纸打磨，放在浓H2SO4 中室温浸泡4-8min，水洗后放入20%氢氧化铵中浸泡5-10min。
对于不饱和碳链结构的橡胶，用刚性环氧胶胶接；胶接强度接近或超过橡胶本身内聚强度。如果需要柔软的接头可用环氧——聚硫，环氧——聚酰胺等胶。
丁基橡胶：聚氨酯、有机硅胶等；
丁苯橡胶：丁腈、聚氨酯、有机硅等；
丁腈橡胶：聚氨酯、有机硅、环氧、酚醛—丁腈等；
氟橡胶：环氧胶、氰基丙烯酸酯胶接；
硅橡胶：用等离子体处理表面，使胶接强度提高数倍。
3、其他材料的表面处理与胶接
3.1 玻璃：
脱脂后室温浸泡50% Na2CrO7（3.5份）和100份浓H2SO4 约15-20min。用聚氨酯、水溶性硅酸盐、酚醛—环氧、环氧、酚醛——丁腈等胶粘剂。
3.2 陶瓷：表面处理和胶接与玻璃相同。
3.3 水泥制品：脱脂后用砂纸打磨、环氧、脲醛、有机硅、水玻璃等胶。
3.4 木材：用脲醛、酚醛、三氯氰胺甲醛、环氧等胶粘剂。

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