塑胶件的紧固工艺：别忘了胶粘紧固

关于作者：钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。
2020年即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。

胶粘是用胶粘剂将两个或多个零件结合成一个整体。胶粘是一类古老而又年轻的方法；早在数千年前，人类的祖先就已经开始使用胶粘。许多出土文物表明，5000年前我们祖先就会用粘土、淀粉和香松等天然产物做胶粘，4000千多年前就会用生漆做胶黏剂和涂料制造器具，3000年前的周朝已用动物胶作木船的填缝密封胶。

胶粘剂是指通过界面的黏附和物质的内聚等作用，能使两个或多个以上的零件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质。胶粘剂的分类方法很多，如下表所示：

▲胶粘剂的分类

塑胶件的胶粘紧固一般是指使用结构型胶粘剂把两个塑胶件、塑胶件与金属件、或者塑胶件与其它零件紧固成一体，结构型的胶粘剂包括环氧、聚氨酯和丙烯酸等，结构型的胶粘剂粘接强度大，甚至会超过其它焊接工艺。塑胶件的胶粘紧固的具体应用如下图所示。

▲手动打胶

▲PE与PE

▲PE与玻璃纤维

▲PE与金属

2.1 良好粘接的两个因素

粘接的作用是发生在相互接触的界面间，要达到良好的粘接，必须具备两个条件：

1）. 胶粘剂要能很好的润湿被粘物表面

液体胶粘剂向被粘物表面扩散，逐渐润湿被粘物表面并渗入表面微孔中，取代并解吸被粘物表面吸附的气体，由点接触变为面接触。

2）. 胶粘剂与被粘物之间要有较强的相互作用力，产生吸附作用形成次价键或主价键。

液体的湿润主要由表面张力所引起的，液体和固体皆有表面张力，对液体称为表面张力，而固体称为表面能。湿润性主要由胶粘剂和被粘物的表面能所决定，还与工艺条件、环境因素等有关。

a + b = ab

(润湿性） （粘合力） （粘接强度）

▲这就是表面张力

胶粘剂对被粘物的湿润只是粘接的前提，还必须能够形成粘接力，才能达到粘接的目的。粘接力是指胶粘剂与被粘物之间的连接力，它的产生不仅取决于胶粘剂和被粘物表面的结构和状态，而且还与粘接过程的工艺条件密切相关，粘接力是胶粘剂被粘物在界面上的作用力或结合力，包括机械嵌合力、分子间力和化学键力。

总之，润湿是粘接的先决条件。因此，对于塑胶材料的粘接来说，其表面能会严重影响粘接的强度。

2.2 关于表面能一些常识

表面能是影响粘接强度的重要因素，降低胶粘剂的表面能或增大被粘物的表面能可以增强胶粘剂在被粘物上的润湿性，从而提高粘接强度。

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▲高表面能和低表面能

表面能的日常应用：

• 一般金属的表面能是高的，而胶粘剂用的有机聚合物往往具有低表面能，所以一般的有机聚合物胶粘剂能够很好的润湿金属表面，但金属表面常被一些有机物或无机物所污染，致使金属表面能发生改变，假如污染物是一种表面能低得物质，则金属表面能随之下降，胶粘剂在金属上的润湿性变差，粘接强度变低，所以我们在进行粘接前必须要清理金属表面才能使其获得相应的粘接效果。
• 聚四氟乙烯的表面能很低，胶粘剂在聚四氟乙烯的表面不易润湿，难粘附，所以聚四氟乙烯又被称为不粘涂层。
• 低表面能材料不但兼具疏水性与疏油性质，对抗污、抗溶剂有更强的能力，可以用于制造防污涂料，而且具有环保功能

2.3 塑胶材料的表面能

塑胶材料的表面能可以参考下图。

▲塑胶材料的表面能

3.1 塑胶材料为什么要进行表面处理

表面处理的好坏常常是获得良好胶接接头成败的关键，因为胶粘剂对被粘物表面的浸润性与界面的分子间作用力（即黏附力）是取得高粘接强度的主要原因。

1）塑胶件表面常常有油污、脱模剂、灰尘、指纹等污染物，这些污染物，如不清除处理，会阻碍胶粘剂与塑胶件之间的浸润，严重影响粘接强度。

2）塑胶件表面的咬花处理，可增大塑胶件的实际粘接面积；另外，粗糙的表面可以使固化的胶粘剂与塑胶件形成更多的啮合结构----机械结合力而提高粘接强度，这已被理论与实践所证实。

3）表面处理可以改善表面性能，可以提高塑胶件的表面张力，从而提高胶粘剂粘接强度。有些难粘的低表面能塑胶材料，经过表面处理才能进行有效的粘接。

3.2 表面处理的方法

表面处理的方法请参考国标GBT21526-2008结构胶黏剂粘接前金属和塑料表面处理导则。

4.1 接头类型：

胶粘紧固的接头类型主要包括以下七种：

▲搭接

▲榫搭接

▲对接

▲斜接

▲夹板接

▲端接

4.2 外力的类型

拉伸力：外力与胶接面垂直，且均匀分布于整个胶接面

▲拉伸力

压紧力

▲压紧力

剪切力：外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上

▲剪切力

剥离力：外力与胶接面成一定角度，并集中分布在胶接面的某一线上

▲剥离力

劈离力 （不均匀扯离力）：外力垂直于胶接面，但不均匀分布在整个胶接面上

▲劈离力

4.3 胶粘紧固结构设计指南

胶粘紧固的结构设计需要遵循以下原则：

• 设计接头尽量承受拉伸和剪切力，尽量避免剥离力和劈离力；
• 在可能允许的情况下，尽量增大粘接面积，提高胶层承载能力；
• 粘接时可选与被粘接材料刚度相同或相似的胶粘剂，最大限度减小应力集中；
• 承受作用力较大的情况，可采用复接方式；
• 接头结构设计应方便粘接工艺的实施；
• 应选用热胀系数较小的材料进行粘接，热胀系数相差较大的管材应采用热胀系数小的在外的套接方式；
• 接头结构应便于使胶层连续均匀；
• 接头结构设计应考虑与其他零件的关系，要方便装配维修；
• 接头结构设计应制造容易，美观大方。

选用正确的胶粘剂是一个关键问题，但同时也是一个很难的问题。目前胶粘剂品种繁杂，牌号甚多，每一种胶粘剂不可能都是万用的，不同的胶粘剂具有不同的性能特征、工艺条件和使用范围。

就实用性而言，各种胶粘剂的差别是很大的，俗称为“万能胶”的环氧树脂胶粘剂用途非常广泛，但并非适宜任何目的。例如，用其粘接软质材料，一剥就开;用于振动场合，一冲就裂;而用于刚性材料的结构粘接，却十分牢固。可以肯定的说，世界上现在没有，将来也不会有，根本不存在所谓的“万能”胶粘剂。

粘接技术涉及到被粘物、胶粘剂工艺方法、受力状态、环境因素等。实际上粘物有不同的表面性质，胶粘剂有不同的粘接性能，工艺上有不同的具体要求，粘接件有不同的受力类型，使用时有不同的环境条件。这些复杂的情况，绝不可能随意拿来一种胶粘剂就盲目粘接，必须进行适当的选择，恰其所用。

5.1 既要满足要求，又要经济合理

任何胶粘剂都有其长处，也有之短处。所谓胶粘剂的选用也就是用其之长，扬长避短。充分发挥粘接技术的优越性。否则不是收效甚微，就是徒劳无功，甚至造成不良影响和经济损失。在一些日常粘接件上发生类似情况比比皆是，粘接本身都是要满足一定的使用要求，往往同时会有几种胶粘剂都能达到同样的要求。这就需要我们进行一下比较，综合分析，保证性能可靠，还要经济实惠。可见花些功夫，动些脑筋，认真选择合适的胶粘剂是很有重要意义的。

5.2 必须熟悉胶粘剂的种类和性能

目前对于如何选用胶粘剂还缺乏系统的理论方法和完整的数据资料，主要还是依靠际积累的知识和经验。塑胶件选用胶粘紧股，胶粘剂是基础，正确选用其性能是重要依据。

不同类型的胶具有不同的性能，决定着它们的各种用途。熟悉各类胶粘剂的性能，才能得心应手地选用。也就是说，对胶粘剂的性能掌握的越多，选择也就越准确。

5.3 了解塑胶材料的特性

塑胶种类很多，性质各异，表面能有高低，必须根据材料性质和表面特性去选择合适的胶粘剂。

5.4 明确粘接的用途与目的

粘接具有诸多用途，能够实现多重目的，包括连接、紧固、密封、堵漏、填充、修补、绝缘、防腐等。任何一种胶粘剂的使用都会同时达到几个目的，应以其中之一为主去选用胶粘剂。如受力比较大的，理应选用结构胶粘剂(环氧多胺胶、环氧聚硫胶)；对于受力较小或非受力的部位可选用非结构胶粘剂(氯丁胶、热熔胶)；应急修补可选用502胶、厌氧胶、快固丙烯酸酯胶和室温快速固化的环氧胶等。

5.5 明确使用环境

粘接件都要在一定的环境中使用，环境因素对粘接性能有着重要影响。因此，在选用胶粘剂时不能忽视所使用的环境因素，一般有温度、湿度、化学介质、辐射、氧化、微生物等都必须加以考虑。

5.5.1 温度

胶粘剂的性能与温度关系密切。随着温度的升高，粘接强度降低，在低温胶层发生脆裂,当然也有随着温度降低粘接强度反而升高的胶粘剂如聚胺脂胶。一般的胶粘剂使用温度为-40～150℃，如果在150℃以上或-70℃以下长期使用，必须选用耐高温或耐超低温的胶粘剂。

5.5.2 湿度

湿气和水分对粘接界面的稳定非常不利，是有害无益的。粘接件在使用中肯定要接触空气和水分，因为水分子体积小、极性大，能够通过胶层类似毛细管作用渗透、扩散积累于粘接界面，取代已形成的次价键，水能解某些化学键使粘接界面遭到破坏或自行脱开，造成粘接强度和耐久性降低。预防水分和湿气最好是高温固化，提高胶连密度。

5.5.3 化学介质

化学介质主要指酸、碱、盐、溶剂等，不同类型的胶粘剂有不同的固化条件和耐受介质的能力，应根据塑胶件接触的介质选用胶粘剂。

5.5.4 户外条件

产品所处的条件复杂，例如气温周期变化、风吹雨淋、日晒冰霜等综合作用，会加速胶层的老化使用寿命缩短。因此，在户外条件下应选用高温固化或耐大气老化性能较好的胶粘剂。

5.6 慎重考虑工艺实施的可能性

各种不同的胶粘剂要求不同的工艺条件。有的只需接触压力，室温就能完成固化，有的不仅需要一定压力，还要加热才能固化，有的在室温下能够快速固化，有的则需要很长时间。

这些不同的工艺条件都会影响固定资产投资和胶粘工艺的成本。在面向成本的产品设计中，在选择胶粘剂之前必须弄清楚相应的成本。

一般说来，加热固化的胶粘剂性能高于室温固化胶粘剂，因此要求强度很高、耐久性好和耐介质性强的粘接，应选用高温固化胶粘剂，特殊情况除外。

参考文献：《面向成本的产品设计：降本设计之道》 2020年，机械工业出版社

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