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      被粘材料的表面處理與膠接
      (*)表面特性的影響
        1、清潔度:金屬表面吸附著*層內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。*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,在空氣中易受環境氣氛的污染,接觸角升高,約5H后接觸角趨于穩定。
                 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
       
       
      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
       
       
      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,適當地將表面粗化均能提高膠接強度。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
       
      環氧-DTA
       
      100/10
       
      60/96
       
      85.0
       
      61.9
       
       
       3、表面化學結構 表面的化學組成與結構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,而表面結構對膠接性能的影響往往是通過改變表面層的內聚強度、厚度、孔隙度、活性和表面能來實現。
        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,其內聚強度較低,厚度>103A,使接頭出現破壞,強度大大降低,并且能在鋁試片表面觀察到單晶或粉末狀圖譜以及虹色干涉現象。在熱自來水中清洗時,填充效率很低,水合物生成較少,其表面看不到虹色或單晶圖譜,膠接強度較高。因此,要得到高剝離強度,鋁表面氧化物應該是無水的。
      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
       
      內聚
       
      無圖譜
       
      無色
       
      90ºC
       
      20.0
       
      內聚
       
      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
       
      (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*好;比例為1:1時,適用于鋁材的清潔。
        超聲波脫脂法:*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,并產生不同粗糙度的表面。
        3、化學腐蝕法:
        被粘材料經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*步除去表面上的殘留污物,并使表面生成具有良好內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*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,*限表面張力增加,因而改進膠粘劑對其侵潤和粘附力。
      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
       
      (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*層致密而堅硬的氧化膜,膜厚為1-3um,內聚強度高,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*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: 銅在潮濕環境中易被腐蝕,尤其用乙二胺或DTA固化的環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,難以完全浸潤如硅橡膠。PTFE等。
        B 、表面為非*性的,與膠粘劑之間作用力低。
       。、表面易吸脂和其他低分子物質,去除困難。
       。、熱膨脹系數較高,易產生熱應力。
       。、材料模量低,在界面易發生應力集中。(選用溶解度參數與被粘材料接近的膠粘劑;表面處理,以便提高膠接強度)
        2.2 含氟高聚物(聚四氟乙烯PTFE)
        A、鈉——萘——THF溶液腐蝕法。Rc=18.5dyn/cm將含氟材料表面用細砂紙打磨,丙酮洗滌,晾干于室溫的處理液中浸泡1-15min,此時表面產生*層均勻棕色碳化薄膜(厚度約1um)。取出用丙酮或乙酸洗滌再用水洗凈,晾干立即膠接或干燥后存放2-3月內均有良好膠接性能。
        處理液配制:在三口瓶中放入升華精萘118-128g,加入去除過氧化物的四氫呋喃100ml。攪拌溶解后慢慢加入23-30g鈉片,反應1-2H,溶液呈現綠色(在干燥的氮氣中進行,嚴防O2和潮氣影響)。處理液須在惰性氣體和醋酸密封的干燥容器中可保存三個月之久,嚴防水汽和空氣浸入。
        經處理的PTFE用EPOXY——聚酰胺膠膠接,其室溫為11mpa以上(PTFE/AL)。
        B 熔融的醋酸鉀法:在熔融的k+CH3COO-中于320-330°C處理6min,水洗干燥即可。
        用有機硅膠、環氧膠、聚氨酯、酚醛——丁腈膠等粘接
      處理方法
       
      處理條件
       
      對水浸潤的接觸角
       
      Mpa
       
      溫度°C
       
      時間秒
       
      未處理
       
      ——
       
      ——
       
      108
       
      ——
       
      鈉—氨
       
      -70
       
      20
       
      63
       
      11.1
       
      鈉—萘—THF
       
      +20
       
      10分
       
      62
       
      11.7
       
      醋酸鉀
       
      +325
       
      6分
       
      66
       
      11.4
       
       
      2.3、聚烷烯烴(聚乙烯和聚丙烯)
        A、锘酸氧化液配方:
        Na2CrO7 5 濃H2SO4 8 H2O 100 PE*限表面張力為Rc=31dyn/cm。
        PE和PP在66-71°C中浸泡1- 5min或80-85°C處理5-10秒或室溫處理1-1.5小時。用環氧膠膠接時全部是被材料本身內聚破壞。PS可在Na2CrO7 (10份)和濃H2SO4 (90份)的氧化液中處理3-4min。
        B 、等離子體法:處理時間約5秒,膠接強度可提高十倍至數十倍,PP經過處理后,Τ由0.7上升16.8mpa.。
        膠接PE:環氧、醋酸乙烯酯——乙烯共聚物、聚氨酯、有機硅等。
        膠接PP:環氧——聚酰胺、丁腈膠、聚氨酯等膠。
        膠接PS:氯丁膠、氰基丙烯酸醋、聚氨酯、環氧膠等。
                 表面處理法對PE膠接強度的影響
      膠粘劑
       
      未處理
       
      砂紙處理
       
      化學氧化法
       
      等離子體
       
      環氧
       
      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, 聚酯表面結晶度高,必須降低結晶度和增加*性,可浸泡在20%的NaOH溶液于70-95°C處理10min. 聚酯薄膜(洗滌膜)用有機硅、聚氨酯、線型聚醋、聚酰胺、熱熔膠等。   聚碳酸酯脫脂用砂紙打磨,用環氧、聚氨酯、不飽和聚酯等膠。
        2.5、聚醚
        聚甲醛和氯化物聚醚較難膠接,用丙酮脫脂后,在處理液中使表面活化。 Na2CrO7 5 濃H2SO4 8 H2O 100
        聚甲醛處理條件為室溫10-20秒;氯化聚醚為65-71°C下5-10分;
        聚甲醛用丁腈膠、聚氨酯、環氧和酚醛——丁腈膠
        氯化聚醚用丁腈膠和氯丁膠粘接。
        2.6、聚酰胺
       。1)細砂紙打磨在表面涂刷間甲酚樹脂底膠,用環氧膠接;
       。2)浸泡在80%苯酚水溶液中刷洗然后用水洗凈烘干。
        用丁腈膠、聚氨酯、聚酰胺、環氧、酚醛——丁腈膠接。
        2.7、賽璐璐、聚甲基丙烯酸甲酯、硬質聚氯乙烯
        經脫脂砂紙打磨即可
        賽璐璐用丁腈膠、氯丁膠、熱熔膠、聚氨酯等膠;
        聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃):丁腈膠、氯丁膠、環氧等;
        硬質聚氯乙烯:丁腈膠、氯丁膠、白乳膠、聚過氯乙烯、聚氨酯、環氧膠等。
        2.8、聚酰亞胺:
        用丙酮脫脂,在NaOH溶液5%于60-90°C下處理1分鐘,膠接扯離強度提高15倍以上,采用環氧膠。
        2.9、天然橡膠
        脫脂后用砂紙打磨 ,再用乙醇或汽油擦凈或在室溫下浸泡濃H2SO4約15-20min,洗凈烘干,用環氧、呋喃樹脂、氯丁、丁腈、聚氨酯。
        2.10、合成橡膠
        脫脂后用砂紙打磨,放在濃H2SO4 中室溫浸泡4-8min,水洗后放入20%氫氧化銨中浸泡5-10min。
        對于不飽和碳鏈結構的橡膠,用剛性環氧膠膠接;膠接強度接近或超過橡膠本身內聚強度。如果需要柔軟的接頭可用環氧——聚硫,環氧——聚酰胺等膠。
        丁基橡膠:聚氨酯、有機硅膠等;
        丁苯橡膠:丁腈、聚氨酯、有機硅等;
        丁腈橡膠:聚氨酯、有機硅、環氧、酚醛—丁腈等;
        氟橡膠:環氧膠、氰基丙烯酸酯膠接;
        硅橡膠:用等離子體處理表面,使膠接強度提高數倍。
        3、其他材料的表面處理與膠接
        3.1 玻璃:
        脫脂后室溫浸泡50% Na2CrO7(3.5份)和100份濃H2SO4 約15-20min。用聚氨酯、水溶性硅酸鹽、酚醛—環氧、環氧、酚醛——丁腈等膠粘劑。
        3.2 陶瓷:表面處理和膠接與玻璃相同。
        3.3 水泥制品:脫脂后用砂紙打磨、環氧、脲醛、有機硅、水玻璃等膠。
        3.4 木材:用脲醛、酚醛、三氯氰胺甲醛、環氧等膠粘劑
       

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