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聚合物基材部件的粘接

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 亨斯迈先进材料澳洲点击:
近些年来,为了满足减轻车辆自重以降低油耗的要求,聚合材料在汽车工业中的应用正在日益增加,以取代传统中一直居于主导地位的金属材料(如钢和铝)。

随着传统材料向聚合材料的转换,各种部件之间的连接方式也随之发生了改变。例如,由于无法焊接,所以只能加倍小心地进行机械固定。这就意味着,对许多材料来说,采用胶粘剂粘接就成为最佳之选,它能够避免焊接和机械连接方式对造型产品所带来的变形影响。因此,应用胶粘剂的新型设计和制造技术已在汽车制造业中盛行起来。

针对这类应用,亨斯迈先进材料公司开发并提供了高品质的 Araldite (爱牢达)、Epibond、Epocast、Agomet 和 Uralane 等胶粘剂系统。这些基于环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸甲酯类等化学材料的胶粘剂,可广泛用于包括聚合材料在内的各种基材的粘接。

考虑到聚合材料(尤其是热塑性材料)的表面能都相对较低,所以在使用这些胶粘剂之前,需要对材料表面进行适当的处理,以使胶粘剂能够充分地润湿表面,这对于实现坚固可靠且耐久的粘接是至关重要的。

表面处理的必要性

一般,汽车工业中常用的聚合物基材包括:ABS、PC、PVC、PP、PE、PMMA、PEEK和PA等热塑性,以及GRE、玻璃钢、SMC和碳纤维复合材料(CFRP)等热固性塑料。无论是哪种类型的基材,在粘接前,必须对其表面进行处理,以去除这些聚合物基材表面的污垢、粉尘、油污、油脂、水分、脱模剂和增塑剂等,同时,提高基材的表面能,使其高于胶粘剂的表面能量,从而确保胶粘剂能够充分润湿基材表面。

表1列出了一些典型的聚合物基材的表面能。为便于对照,同时还列出了铁铝氧化物的表面能。可以看出,金属基材的表面能较聚合物基材的表面能要高得多,这也是胶粘剂易于对金属表面进行润湿的原因。而基于环氧树脂化学材料的典型胶粘剂的表面能在40mJ/m2 左右,比聚合物本身的表面能略高,因而导致了润湿的困难。为确保充分润湿,必须提高这些聚合物基材的表面能。

聚合物基材的表面处理技术

通常,正确的表面处理对实现高强度及耐用的粘接起着至关重要的作用,当粘接的材质为聚合材料时尤为如此。一般,胶粘剂对基材表面的最佳润湿不仅可以确保胶粘剂与粘接面的最大接触,而且还可以避免粘接处受潮或受到其他侵蚀性更强的化学物质的侵入,从而对其起到保护作用。下面,将介绍几种常用的表面处理方法。

1、溶剂擦拭

这是最简单的表面处理方式,能够去除粘接表面的蜡质、油污和其他小分子量的污染物。这项技术要求污染物可溶于溶剂,且溶剂本身不含溶解的污染物。为此,对溶剂的选择就显得非常重要。一般,常用的溶剂包括:丙酮、丁酮、甲基异丁基酮、二甲苯、三氯乙烯、乙醇和异丙醇等,在擦拭中应注意使用清洁的无尘擦布或纸巾。

这种表面处理方法的缺点是:溶剂可能会对基材产生不良影响,如热塑性材料可能会被溶解,显现出应力裂纹或龟裂;可能会造成交叉污染,如样品与样品之间的污染、重复使用或浸入到溶剂中的擦布的污染等;产生的蒸汽可能会危害工人的健康;不适用于大规模的生产要求(大规模的工业生产可选用蒸汽脱脂和超声波蒸汽脱脂的方法)。

2、打磨

打磨可去除表面污染物,并获得高度毛化的表面,从而增加胶粘剂的粘接接触面,以产生“咬合效应”。常用的打磨方法包括:采用钢丝刷、砂纸或锉削等的手工打磨;采用砂带、砂轮或喷丸/喷砂等的自动打磨;相对较快、对操作者依赖性低且重复性和成本效益均较好的机械打磨。

3、火焰处理

火焰处理是利用气体或气体/氧气火焰,对表面进行部分氧化,以产生极性基,从而提高聚合物的表面能。此技术所处理的基材厚度较采用电晕预处理的基材厚度大,尤其适用于不均匀的型材。其优点是:气体与氧气的比例、流量、暴露时间和火焰与基材的距离易于调节,已被证实是适用于聚乙烯和聚丙烯的较有效的方法。

4、等离子体处理

等离子体有时被称为“物质的第四态”,是通过向气体施加大量的能量而产生的。等离子体含有自由离子和电子,会影响其所接触到的任何材料的表面,从而产生清洁作用。对于有机表面,等离子体会产生极性基团或活性自由基,从而激活粘接表面并对粘接产生辅助效果。

一般,低压等离子体技术通过对低压腔中的两个电极之间施加高频和高电压,对气体产生激发作用。这一工艺过程可选用氩、氨、氮或氧等各种不同的等离子体,可以广泛地适用于各种材质。当采用空气作为等离子源时,空气中的氧气发挥的作用最大:它与碳水化合物类的污染物发生反应,断开大分子链的分子。随后,所产生的小分子在此过程中被去除。总之,这一过程可使表面获得高能量,在很多情况下大于70dynes,因而对塑料(聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚酯、ABS和聚碳酸酯等)极为有效。

进行等离子体处理时,可采用手持式或自动装置。通常,预处理完成后就可以立即涂胶。这一处理过程的有效带宽为0.5in(12.7mm),每分钟的最大处理量为3 000ft(91 440cm),因而适用于大规模的生产应用。

5、电晕放电处理

此技术在原理上与低压等离子体技术类似,但其等离子体是从大气压下的空气中产生的。电晕是通过对电极施加9~50kHz 频率的高压(可达30kV)而产生的。电极利用空气间隙与接地桌分开,当空气间隙被电流击穿时(3 000~5 000volts/mm),电流从空气间隙穿过。当电流击穿空气时会产生自由电子。这些带有巨大能量的自由电子向正极运动,并对空气间隙中的分子的电子产生置换作用,从而进一步产生电子和相应的离子,使电流通过间隙。随着电离电流的增大,电晕放电率也不断增加(即粒子运动加快)。这样,就产生了电晕现象,同时激发了表面放电。此技术适用于薄膜与层板复合材料。

6、化学处理

目前,一些聚合物生产商及专业的聚合物预处理公司还开发出了一些针对聚合物基材的化学处理方法,例如:一种对聚四氟乙烯进行预处理使之能够进行粘接的刻蚀剂;一种用于聚酯的苛性钠刻蚀液;一些可用于聚丙烯的专用底漆;用硫酸制备聚苯乙烯粘合面;由澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)开发的、用于热塑性材料粘接/涂装的SICOR 工艺,它主要用于汽车工业。

亨斯迈先进材料公司分别对尼龙6、聚甲醛和GFPO(一种含氟聚合物)等聚合物基材进行了不同的预处理测试,测试结果见表2、表3和表4。试验表明,对某些聚合物来说,当一种形式的预处理不适合时,另外一种形式的预处理却可能非常有效。在此介绍的这三组试验显示,等离子体处理对提高聚合物基材的粘接力普遍非常有效。

亨斯迈部分胶粘剂介绍

1、Uralane 5774


图1 Uralane 5774在飞机材料粘接上的应用

Uralane 5774是一种专门为粘接飞机内部高性能热塑性材料(如PC、ABS、PMMA和PEEK等)而开发的聚氨酯类胶粘剂。它具有自熄性,可在室温或高温下固化,与热塑性材料或金属材料可形成坚韧、抗冲击的粘接(如图1所示)。它符合 BMS 5 105 Type 5、空中客车 AIMS 10-04-001-01 的标准,同时满足FAR 25.853 的要求。Uralane 5774 自身的配方特性使其具有良好的表面润湿性,能够以最简单的表面处理方式(通常是用异丙醇(IPA)擦拭)应用于绝大多数热塑性材料,且对多种基材具有出色的T型剥离强度。Uralane 5774 系统用于飞机挡风玻璃和扶手的加工制作,并可用于机窗活动挡板和折叠桌。

2、爱牢达 2022


图2 爱牢达 2022具有出色的粘结性和耐久性,在粘接过程中无需过多的表面处理工作

爱牢达 2022是一种双组分丙烯酸甲酯胶粘剂。它通常被选作ABS 塑料盖与转向柱之间的粘合剂,以及金属增强部件、铰链与外部ABS 表面间的粘接用胶。之所以建议在这些应用中选用爱牢达 2022,最重要的是在于丙烯酸酯类胶粘剂的独特优势,即它在粘接多种热塑性材料(如ABS)时所表现出的出色的粘结性和耐久性,以及在粘接中无需过多的表面处理工作(如图2所示)。


图3 爱牢达 2013被应用于Lok 2000高速机车上

3、当前,铁路运输业越来越倾向于采用圆形设计,尤其是机车的驾驶室,最高时速达230km的Lok 2000高速机车就是这样一个例子(如图3所示)。目前,瑞士联邦铁路公司已经生产了大量的Lok 2000。出于重量和成本的考虑,这些圆形的前驾驶室通常采用玻璃钢制造,Lok 2000的驾驶室就采用了这种材料的三明治夹层结构。为使驾驶室各部件之间能够尽可能被牢固地粘接,生产中采用了双组分的环氧树脂胶粘剂,即爱牢达 2013,从而满足了设计要求(如图4所示)。


图4 爱牢达 2013可满足驾驶室各部件粘接的设计要求

总之,采用结构胶粘剂粘接塑料和复合材料可以生产出更高端的产品,同时还可节省大量的时间和成本。如上所述,从溶剂擦拭这类最简单的表面处理方法,到等离子体处理等相对复杂的表面处理技术,来自亨斯迈先进材料公司的粘接剂均可以很好地满足粘接要求。某些胶粘剂,尤其是基于丙烯酸甲酯制剂的胶粘剂,即使在制备不佳的基材上也能够实现出色的粘接,爱牢达 2021 和 2022 以及新推出的爱牢达2047 都属于这类产品。(end)

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