粘接工艺

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粘接工艺  Bonding

灵活的塑料粘接工艺
在轻型设计中，粘接技术起着关键的作用。其加工而成的轻型部件与组合使得能够生产出新型的产品，应用于工业、消费商品和基础设施领域。
本文摘自德国Kunststoffe Plast Europe杂志
作者为德国 Korschenbroich 的 Werner Gruber  
　  
21世纪是汽车的世纪，是塑料的时代。随着中国汽车工业的迅速发展，无论是从经济还是环保的角度来看，功能性轻型设计都是不可避免的，塑料在当中的应用日益增加，粘接工艺亦扮演着同样重要的角色。本文详细介绍粘接工艺的优点和限制，以及在车辆生产和其他工业领域如食品包装上的应用，希望能给国内的读者作为参考。
  
The 21st century is the age of automobiles and plastics. With the dynamic development of China's automotive industry, functional lightweight designs are indispensable for both economical and environmental reasons. Plastics will play a big role here, not to mention the bonding technology. This article features the advantages and limitations of bonding and its application in automotive manufacturing as well as other industrial applications like foodstuffs packaging. It may serve you, a reader in China as reference.
　
当前，塑料的使用和增长一直并且还将与加工者在加工过程中用合适的技术对这些材料进行粘接密切相关。这是经济发展的要求。在分工中也能看到这一点。从原理上讲，现有的粘接方式可分为机械安装和焊接。
到目前为止，最灵活的粘接方式是使用高性能的粘合剂。它几乎可用于所有工业材料表面和内部的紧密粘接，粘接工艺实际上也不会给设计带来任何限制，在其他工艺不能粘接的情况下，可采用粘接连接。此外，粘接作为一种耗用热量很少或根本不用热量的连接方式，连接结构保持不变，而且在热合时，很少出现变形和内应力。甚至塑料-金属都可以粘接，而不用焊接就能做到。
作为经济因素的粘接
无论是使用者或是粘合剂生产者，都不可低估粘接技术的经济因素，粘合可以创造以前不能取得的新财富。粘接是唯一能够实现材料的轻型设计和节省能源的方法。
  
1996年，西欧的粘接剂市场为240万吨，价值98亿ＤＭ。塑料粘接已进入如下的市场，包括车辆制造、消费电子、白色商品、建筑和包装业。车辆制造和其他装配场合（除了车辆制造）使用粘接剂的情况如下∶1996年，加工了55700吨粘接剂，预计到2001年将达60500吨，或者说每年递增1.7％。1996年，塑料粘接用了34500吨粘接剂（不仅在车辆部件上）。预计到2001年将增至43100吨，年增长率4.6％。
相比较而言，1996年，用于粘接金属的粘接剂为41400吨。预计2001年将为45200吨，年增长率同样为1.7％。随着称之为工程粘接剂的发展，塑料粘接剂得到了相应的发展，才使金属和塑料的粘接成为可能。这些数据表明今后金属粘接和塑料的粘接区别不大。在现代汽车生产中，大约使用20多公斤的粘接剂，这一事实明显说明粘接剂的经济意义和重要性。
粘接的优点和限制。
如果此项技术的优点能为人们熟知，并且能很好地进行相应的设计，那么应用于塑料的粘接技术就能得到广泛使用，这也包括塑料的焊接。
粘接的主要优点是∶
大多数不同材料可连接在一起；
不同类材料可以和塑料连接；
可连接宽而薄的塑料或其它材料；
连接热敏性塑料；
使垂直于粘接表面应力分布相同；
属于低热连接；
使轻型设计成为可能；
塑料涂覆的金属可连接在一起；
可实现自动连接工艺。
这些明显的优点可能会由于涉及表面预处理而被抵消，其限制在于∶
剥离强度低；
对老化性能要求苛刻，尤其在金属-塑料连接时。
对于各种其他的连接方式，采用粘接剂技术时都需要观察界面条件。因此，设计时需提出一定量的粘接区域，并且要避免可能出现的剥离现象。
粘接和其他连接方式的比较
传统的连接方式，除了其不用置疑的优点之外，也有一些缺点和不足之处。在热处理方式中，如焊接。在焊接区域，材料的具体性能会变化。在用销钉时，首先必须钻孔，会损伤所连接的部件，并使其强度受到削弱。与焊接不同，粘接只有少量的热；与销钉相比，它对部件毫无损伤。
粘接在生产过程中能使材料的性能最大限度地得以利用，能使新设计成为可能，如轻体结构就可以付诸实施。甚至在当前的复合设计中，把不相同的材料如金属或塑料连接在一起，粘接技术就显示了其优越性，热塑料材料可焊接，而热固性塑料则不能，相对于其他的机械连接方式，粘接是唯一可粘接热固性塑料的方法。

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粘接的基础
粘接是在粘接剂的作用下，类似的材料或不同材料界面、内部紧密连接的技术。粘接剂必须湿润（浸润）所要粘接材料的表面，并把它们粘接在一起，以便传递力。因此，必须有足够的粘接力和内聚力，粘接力是使表面粘合在一起的力；与未增强的塑料内部强度相比较，内聚力是粘接剂的内力。
粘接力和内聚力都是物理过程和化学反应的结果。当湿润的表面和粘接力的内部物理作用表现出来时，如偶极矩力、分散力，范德华力或/和化学作用∶如共价键或离子键，那么的技术上有用的粘合性就上升。然而，必不可少的是表面必须通过预处理化，目的是使粘合剂的粘接瓜能够进行。
除了这些粘合过程之外，特别是溶剂基粘合剂，扩散过程在热塑性聚合物和溶剂粘合剂中进行，这就导致了在材料表面和粘合剂之间的相互作用。就是这种扩散行为才使得许多塑料的粘接成为可能。因此，溶剂基粘合剂在过去广为应用。
在热塑性塑料中，这种扩散行为依赖其极性。因此，ＰＶＣ和ＰＭＭＡ易于通过扩散来粘接。而ＰＥ、ＰＰ和热固性塑料则不能。扩散行为是某种材料的特定参数, 为了得到足够的表面能，表面预处理就显得极为重要。
选择粘接剂
正确选择粘接剂的关键是比较用户列举的有关粘接剂的性质。对于可粘接塑料，不但环氧树脂适用，聚氨酯粘接剂（图1）或者其他的工程粘接剂也适用。由于塑料种类繁多，不可能分出那种粘接剂适合那种塑料。这种情况，对于塑料和金属的复合材料就更难分类。然而，试用和试验过的环氧树脂和聚氨酯粘胶比较常用。
图1 应用两种PU粘合剂的设备。（图片提供：Reinhardt Technik）
从原理上讲，应该有适合任何一种塑料的粘接剂。然而，表面须首先进行预处理，这一步只有某些特定的热塑性塑料要通过扩散来粘接时才可以省去。扩散粘接法对于ＰＶＣ、ＰＳ、ＰＣ和ＰＭＭＡ这些材料非常重要。比如在粘接ＡＢＳ时，使用工程粘合剂时，最好预处理一下，部件会粘得很紧。当这些材料是扩散粘接时，要注意应力开裂引起的腐蚀情况。
对于那些诸如ＰＥ、ＰＰ之类的不能用扩散粘接的热塑性塑料，只能在电晕（图2）和低压等离子体预处理后使用工程粘合剂。Teflon要求特殊的底胶，甚至也限制了粘接效力。与之相对
应，聚酰胺和聚酯在类似的预处理之后，可以和环氧树脂、聚氨酯和热熔体粘接，也可应用于大多数热塑性塑料。特别是纤维增强的塑料（玻璃或碳纤维），在不损伤纤维的表面处理之后，只能用工程粘合剂粘合上。ＳＭＣ和ＢＭＣ模塑在汽车工业中常用，应当注意表面溢出的脱模剂。但是，给予类似的预处理之后，环氧树脂和聚氨酯粘合剂就可以应用。
图2 电晕预处理的 NF 发生器。（图片提供：Acrotec GmbH）
粘合可以承受的热应力主要依赖于材料和粘合剂。在这种情况下，粘合剂应有较高的玻璃化转化温度。
对于小面积的粘合，用氰基丙烯酸酯粘接剂，是非常理想的选择，而且无论预处理与否，在许多情况下，都已证明其表面粘合性很好。在有些塑料的粘接中，粘接的强度甚至比材料本身固有的强度还高。这些快速粘合的粘合剂常用于塑料加工业中。当要快速粘接时，热熔胶，特别是聚氨酯类，就可以应用；而聚氨酯胶和环氧胶用于较大表面的粘接。
工业应用
减轻重量在汽车业、火车车体和航天工业中变得更为重要。传统的钢铁设计逐渐被承受力大
的薄壁钢材或现代轻体材料所替代。金属铝和纤维复合材料稳步进入当今的汽车工业中。系统的轻型结构也对持续的经济发展有贡献，在货物运输中，节约了能源，减少了作用力，提高了速度。新型的轻型建筑材料，轻型设计（图3）和轻型部件、轻型组合使得能够生产出新的产品，应用于投资、消费商品、基础设施（运输和交通）和机械工程领域。在财富创造链中，粘合技术起着重要的作用，就象下述例子那样。
图3 在轻型设计中，粘接技术也起关键的作用。（图片提供：Henkel KGaA）
飞行器制造
飞行器的加强筋主要与其外部的铝合金粘接，内部部件用的热塑性聚合物彼此之间或与铝件之间用粘合剂相连。所用材料如ＰＣ、ＡＢＳ、ＰＭＭＡ，在与自阻燃的ＰＵ粘接剂粘合前，常需要快速地洁净处理，舱内的丙烯酸玻璃面板也是用聚氨酯粘合剂粘到框架上，无论怎样在温度剧烈变化下玻璃面保持高强度并且避免出现任何裂缝。

汽车制造
汽车制造可以分为车身、喷漆线和最终装配，因为烤漆是在高温炉中，无论是在车体内或是车体外，粘接剂都是在最终装配才使用。在汽车内部，各种零部件在粘接剂的作用下层装配在一起，在所用的许多材料中，粘合经常是唯一有效的粘接。无论从仪表盘、内外门装饰，顶灯，阻流板、后行李架或顶衬，主要是用ＰＵ和环氧来粘接和安装的。
在薄膜或纺织品材料平展之后，采用层压工艺，在此工序中，快速成型的ＰＵ热熔胶有助于缩短生产循环周期。用于车门内侧装饰件安装的机械夹子，有可能被ＰＵ快速热熔胶粘在所在的位置。对于车体外部件，塑料件的使用得到重视，在最终装配和修理时，这些部件的组装问题已经解决，而且回收的问题也得以解决。双层尾板和ＳＭＣ顶盖主要也是粘接而成，小轿车也是如此，虽然生产的数量小，如Renault Alpine V6也是全塑粘接。现代化的要数Renault Espace，用ＰＵ胶将铝框架与不可拆卸的车体外塑料件粘合在一起，就象现代的公共汽车构造那样。
公共汽车
新型轻型材料在公共汽车业里越来越流行。过去钢材是主要材料，然而现在用轻金属、塑料和复合材料代替之。用ＰＵ弹性胶把这些不同的材料粘在一起有时是唯一的方法。由于粘接工期简化，生产效益也得到提高。其产出就是每辆城市里的汽车或电车使用了近100kg的粘接剂。以前，玻璃是粘在框架中，而现在，无论是前部、顶部、后部和ＧＲＰ（玻纤增强塑料）边侧件都和支撑体粘在一起。
ＧＲＰ部件与铝合金框架粘合在一起，这就意味着材料不需钻孔，因此外部可以设计得光滑平整。更多的优点是∶增加了刚性，降低了噪音，并且在最终装配中，在框架和GRP 部件之间装配公差。

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卡车生产
卡车生产商也已经认识到使用塑料件的优点，和已经在增加使用量。ＧＲＰ部件安装和粘接到铝合金框架上，提高了车辆的刚性，并且提供了更多的设计空间。
现在值得考虑的是，驾驶台上的休息舱是用ＧＲＰ部件做成并且是粘到驾驶台的框架上。休息舱是通过机械抛光、清理和对ＧＲＰ部件使用底漆分步制成，然后用ＰＵ弹性胶或两组分的甲基丙烯酸胶粘到金属框架上。金属件也要事先预处理以确保胶能牢固。最后休息舱用ＰＵ粘接到驾驶台上。在生产车辆时，也是如此，如用ＡＢＳ做的驾驶台是用甲基丙烯酸粘接剂粘接各部件而成，然后把它粘接到金属框架上（图4）。
图4 用ABS与两种甲基丙烯酯粘接而成的驾驶室。（照片提供：Ciba Specialty Chemicals Inc.）
铁路车辆的生产
现代的铁路车辆，特别是市郊轻轨铁路车辆，不再用粘接的ＧＲＰ部件。由于设计新颖，增加了对此类部件的认可度。平整的ＧＲＰ部件用ＰＵ弹性胶粘到钢铁的或铝合金的框架上，粘接件增加了扭转刚度，降低了噪音，并且隔音，因此增加了乘客的舒适感。由于塑料的使用，现在的轻轨车辆比早期的车辆轻1/3还多，因此使用起来也更经济。粘接技术的重要性反映在，每辆车使用大约400kg的粘接剂。
造船业
造船业给塑料和粘接剂提供了广阔的空间，液化气罐的绝热绝缘要求可能是最为苛刻条件之一（图5），25年来此项应用一直选用环氧胶和聚氨酯胶材料，因为温度的变化范围从-160℃至60℃。在如此低的温度下储存和运输液化气需要合适的绝缘绝热性能。罐的绝热绝缘层包括象三明治那样的封闭的蜂窝发泡芯层。层层相粘合，然后和外面的金属层粘接
图5 用两种环氧树脂或PU粘接剂粘接夹心部件的外层和芯层，已证明对液化气罐的阻透是理想的。（照片提供：Henkel KGaA）
在一起，粘接剂必须有特殊的强度。因在约-160℃时，有残留伸缩力且存在脆性，所以要求粘接剂必须有足够的强度。
包括象三明治那样的封闭的蜂窝发泡芯层。层层相粘合，然后和外面的金属层粘接在一起，粘接剂必须有特殊的强度。因在约-160℃时，有残留伸缩力且存在脆性，所以要求粘接剂必须有足够的强度。
电子业和通讯业
当前埋地通讯电缆的粘接技术需要热收缩件来防止土壤的水分，且至少要30年，这种热收缩件如套管、电晕处理过且外包聚酰胺热熔胶的拉伸ＰＥ。电缆的粘接点用火焰进行收缩处理。聚酰胺热熔胶必须紧紧粘住预处理过的ＰＥ，并且要粘接大多数的电缆包覆材料，如ＰＥ、ＰＡ和ＰＶＣ。
防水的插座和接线板是ＰＡ热熔胶用于汽车领域最新技术。封铸材料、ＰＡ热熔胶，在210℃和10巴的压力下加工，其使用温度为-45℃至130℃。它对于如ＰＡ、ＰＢＴ、ＰＶＣ等其它电缆护套材料粘合得很好。
此外，ＰＡ热熔胶在电子工业中也用于嵌入式印刷电路板，同时，ＰＡ也作为壳体的做法也越来越普遍了。比以前容量更大的DVD盘，也是用二部分粘接在一起的。ＰＣ保护层作为一半，氧化铝作为记忆层的另一半，二者粘接在一起。只有快速成型的ＵＶ（抗紫外线）粘接剂或特殊的热熔胶能满足初期（1.5秒）的强度标准（图6）。
图6 聚酰胺热熔胶用于电子工业的印刷电路的封铸中，用量正在不断增加。（图片提供：Henkel KgaA）
夹层元件的生产
通过把不同的材料夹在一起，作成夹层元件或仪表板，这样就减轻了重量并且可得到一定的物理和力学性能。粘接是唯一的粘接技术，并且不损伤特殊的表层状结构。夹层结构至少包含两层来包住不同绝缘材料的芯层（图7）。此技术对于空调车结构、露营汽车的外壁，建筑外墙、室内隔板等都是非常重要。
图7 在夹心件中，由于粘接不损害部件的纹理，是唯一的连接方式。（图片提供：Henkel Teroson）
生产常在连续工作的机器上进行，外层的厚度决定了是否用卷材或片材。铝合金、聚酯、ＰＰ、ＡＢＳ和纤维增强的塑料常用作外层材料。所有这些材料都必须进行表面处理，否则粘接不会牢固。典型的结构是用于宿营的帐篷汽车，包含聚酯／发泡层／木头。
柔韧性包装材料的生产
把不同种类的薄膜层粘起来的柔韧性包装材料，是食品包装时不可缺少的。从力学和卫生角度保护食品，并且确保成分不溢出。比如，有高阻透性的柔韧膜是用铝箔和热收缩膜，并用ＰＵ粘接剂粘合而成。塑料膜的类型决定了是否要表面处理。对于铝箔来说，什么也不用。工作由卷取完成，由卷取机在300m／min的速度下把粘合剂涂覆上去。
对于电力电缆的护套，需要特殊的层压技术，如聚芳香胺类／聚酰亚胺／聚芳香胺类或其他材料的结合。这里要求力学强度高且耐变压器油，最需要的是层压能耐 80℃
的温度且持续25000小时以上。所谓的柔性印刷电路板是用特殊的ＰＩ（聚酰亚胺）／黄铜，聚酯／黄铜或浸渍铜／铜合金复合而成。必须能够经受升温（260℃到280℃，10秒）考验，并且能承受印刷用黄铜导体的主刻蚀生产过程。

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通用塑料的加工
ＰＶＣ和ＡＢＳ的扩散粘接是卫生管，工业管或ＰＶＣ门窗生产的最新技术。在卫生管的生产中，粘接处完全密封，可用于工业用水、热水或化工领域。在不同极性塑料间小的平坦点粘接常受快速粘合的氰基丙烯酸粘接剂的影响，在同一厚度范围内，刚性ＰＶＣ、ＰＳ、ＰＭＭＡ和乙酸纤维素在拉伸剪切实验中都表现出高强度值。只要预先处理，甚至ＰＥ和ＰＰ都是可粘的，随着双组分的丙烯酸粘合剂和甲基丙烯酸粘合剂快速固化，可以得到类似的结果。
许多医疗器械也是由不同的塑料粘合在一起的生产。氰基丙烯酸粘合剂和ＵＶ快速丙烯酸粘接剂用于此类一次性器械的快速生产，如导管注射系统，一次性注射器和多用器械，如开刀器具和内窥镜。相应地对于此类粘接剂也要求具有无毒性和抗菌性。
另外一种非常有趣的应用是表层保护。在这里，各种外覆abs、ps和共混物的塑料被接到另一结构上，这种结构底层是grp、木材、塑料蜂窝状类层结构，或是环氧胶层且有两层丙烯酸胶或pu热熔胶，接着再与一层装饰膜层压。
粘接剂供应商
在德国、重要的粘接剂供应商有∶Henkel Teroson,Sika AG, Araldite Polymer, Gurit- Essex, Kommerling, H.B. Fuller, Tivoli Klebstoff, Helmetin 和3M。 Henkel Teroson 产品范围最广，包括Macroplast、Macromelt和Terokal。 Sika很显然集中在弹性粘接的ＰＵ胶上（Sikaflex），Araldite polymer的目标是生产环氧胶（Araldite），最近也开始生产甲基丙烯酸粘接剂。所有其他的公司主要供应ＰＵ胶。３Ｍ公司一直以来以提供工业用新的高性能胶粘带（ＶＨＢ胶带）为主。
扩散型粘接剂主要由Henkel（粘接各种管件）和kommerling 提供（koraplast针对所有的ＰＶＣ塑窗型材），氰基丙烯酸和ＵＶ粘接剂由各种其他公司供应，市场中有影响力的是Loctite，主要提供环氧类产品。
展望
在不久的将来，无论是从经济上还是从生态学讲，功能性轻型设计都是不可避免的。塑料将会发挥重要的作用，通常，这些轻型设计只有全面发挥了这种特殊材料的优势才能得以实现。同时，可以在不损失设计强度的情况下减少厚度，另外，可以更好地减少振动且设计者有更多的自由度。
塑料在汽车工业中的应用将会增加，粘接对于公共汽车的设计和城市轻轨的设计起了重要的作用。其对于粘接所有的形状和各种形式的塑料，玻璃和轻轨金属来说，是唯一可行的粘接方式。如纤维增强塑料之类的新型材料已应用于实践来回应经济对材料要求和节能的要求。
将来，用工程粘合剂的粘接将会增长，因为现代的使用方法能使产品的使用更加安全、可靠。预计弹性ＰＵ胶（弹性粘合）和ＰＵ热熔胶将迅速发展。然而，必须预先进行正确的表面处理，以此确保粘接可靠和具有相应的耐老化性。这种不可避免的要求通过设备制造业而得到满足，然而，这会使生产过程中的设备变化多种多样。相反，溶剂基扩散型粘接剂的使用量将会下降，且会被其他的粘接剂或其他的粘接技术所代替。
在车辆生产中所取得的粘接经验已增加了人们对使用此项技术的信任感。玻璃窗格的粘接定位已证明了自己的优点。随着此项技术的广泛传播和其成功性，在其它工业领域，对其经验和兴趣也会增长。这将会引导出无人曾想到的新型设计。