被粘材料的表面处理与胶接

被粘材料的表面处理与胶接（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/Na2Cr2O7H2SO4/Na2Cr2O7+高温烘676707817.219.336.325.5不锈钢未处理脱脂H2SO4/Na2Cr2O750-75671036.644.349.7钛未处理脱脂H2SO4/Na2Cr2O750-7561-71109.522.443.22、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70/3074/1658.327.860/4074/1657.734.650/50/74/1659.038.2环氧-DTA100/1060/9685.061.93、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60ºC20.6内聚无图谱无色90ºC20.0内聚无图谱无色蒸馏水60ºC6.4粘附单晶图谱虹色90ºC5.8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PE2.222.0聚酯B4.38.3低压PE2.510.3聚氟乙烯2.09.0尼龙66.027.8聚碳酸酯2.96.5PS4.028.2聚丙烯2.621.7聚酯A3.711.7聚四氟乙烯0.535.3(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+6H2ONa2CrO7+H2SO4→Na2SO4+2CrO3+H2O2Al+2CrO3→Al2O3+Cr2O3美国标准处理H2SO4——重铬酸钠溶液配方：Na2CrO71（2.4%）（66-71°C）/10-12分浓H2SO410（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：Cr2O35%或0（60-65°C）/30分Na2CrO70或7.5%（60-65°C）/30分浓H2SO4127.3%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.nH2O.(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2.7gH2O2（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-70206311.1钠—萘—THF+2010分6211.7醋酸钾+3256分6611.42.3、聚烷烯烃（聚乙烯和聚丙烯）A、锘酸氧化液配方：Na2CrO75浓H2SO48H2O100PE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3.213.833.732.6聚酯6.012.327.330.3酚醛-丁腈3.13.97.212.42.4、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。Na2CrO75浓H2SO48H2O100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-