關(guān)于作者：鐘元，2011年出版書籍《面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計指南》（DFMA）。
2020年即將出版《面向成本的產(chǎn)品設(shè)計：降本設(shè)計之道》（DFC）。

膠粘是用膠粘劑將兩個或多個零件結(jié)合成一個整體。膠粘是一類古老而又年輕的方法；早在數(shù)千年前，人類的祖先就已經(jīng)開始使用膠粘。許多出土文物表明，5000年前我們祖先就會用粘土、淀粉和香松等天然產(chǎn)物做膠粘，4000千多年前就會用生漆做膠黏劑和涂料制造器具，3000年前的周朝已用動物膠作木船的填縫密封膠。

膠粘劑是指通過界面的黏附和物質(zhì)的內(nèi)聚等作用，能使兩個或多個以上的零件或材料連接在一起的天然的或合成的、有機(jī)的或無機(jī)的一類物質(zhì)。膠粘劑的分類方法很多，如下表所示：

▲膠粘劑的分類

塑膠件的膠粘緊固一般是指使用結(jié)構(gòu)型膠粘劑把兩個塑膠件、塑膠件與金屬件、或者塑膠件與其它零件緊固成一體，結(jié)構(gòu)型的膠粘劑包括環(huán)氧、聚氨酯和丙烯酸等，結(jié)構(gòu)型的膠粘劑粘接強(qiáng)度大，甚至?xí)^其它焊接工藝。塑膠件的膠粘緊固的具體應(yīng)用如下圖所示。

▲手動打膠

▲PE與PE

▲PE與玻璃纖維

▲PE與金屬

2.1 良好粘接的兩個因素

粘接的作用是發(fā)生在相互接觸的界面間，要達(dá)到良好的粘接，必須具備兩個條件：

1）. 膠粘劑要能很好的潤濕被粘物表面

液體膠粘劑向被粘物表面擴(kuò)散，逐漸潤濕被粘物表面并滲入表面微孔中，取代并解吸被粘物表面吸附的氣體，由點接觸變?yōu)槊娼佑|。

2）. 膠粘劑與被粘物之間要有較強(qiáng)的相互作用力，產(chǎn)生吸附作用形成次價鍵或主價鍵。

液體的濕潤主要由表面張力所引起的，液體和固體皆有表面張力，對液體稱為表面張力，而固體稱為表面能。濕潤性主要由膠粘劑和被粘物的表面能所決定，還與工藝條件、環(huán)境因素等有關(guān)。

a + b = ab

(潤濕性） （粘合力） （粘接強(qiáng)度）

▲這就是表面張力

膠粘劑對被粘物的濕潤只是粘接的前提，還必須能夠形成粘接力，才能達(dá)到粘接的目的。粘接力是指膠粘劑與被粘物之間的連接力，它的產(chǎn)生不僅取決于膠粘劑和被粘物表面的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，而且還與粘接過程的工藝條件密切相關(guān)，粘接力是膠粘劑被粘物在界面上的作用力或結(jié)合力，包括機(jī)械嵌合力、分子間力和化學(xué)鍵力。

總之，潤濕是粘接的先決條件。因此，對于塑膠材料的粘接來說，其表面能會嚴(yán)重影響粘接的強(qiáng)度。

2.2 關(guān)于表面能一些常識

表面能是影響粘接強(qiáng)度的重要因素，降低膠粘劑的表面能或增大被粘物的表面能可以增強(qiáng)膠粘劑在被粘物上的潤濕性，從而提高粘接強(qiáng)度。

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▲高表面能和低表面能

表面能的日常應(yīng)用：

• 一般金屬的表面能是高的，而膠粘劑用的有機(jī)聚合物往往具有低表面能，所以一般的有機(jī)聚合物膠粘劑能夠很好的潤濕金屬表面，但金屬表面常被一些有機(jī)物或無機(jī)物所污染，致使金屬表面能發(fā)生改變，假如污染物是一種表面能低得物質(zhì)，則金屬表面能隨之下降，膠粘劑在金屬上的潤濕性變差，粘接強(qiáng)度變低，所以我們在進(jìn)行粘接前必須要清理金屬表面才能使其獲得相應(yīng)的粘接效果。
• 聚四氟乙烯的表面能很低，膠粘劑在聚四氟乙烯的表面不易潤濕，難粘附，所以聚四氟乙烯又被稱為不粘涂層。
• 低表面能材料不但兼具疏水性與疏油性質(zhì)，對抗污、抗溶劑有更強(qiáng)的能力，可以用于制造防污涂料，而且具有環(huán)保功能

2.3 塑膠材料的表面能

塑膠材料的表面能可以參考下圖。

▲塑膠材料的表面能

3.1 塑膠材料為什么要進(jìn)行表面處理

表面處理的好壞常常是獲得良好膠接接頭成敗的關(guān)鍵，因為膠粘劑對被粘物表面的浸潤性與界面的分子間作用力（即黏附力）是取得高粘接強(qiáng)度的主要原因。

1）塑膠件表面常常有油污、脫模劑、灰塵、指紋等污染物，這些污染物，如不清除處理，會阻礙膠粘劑與塑膠件之間的浸潤，嚴(yán)重影響粘接強(qiáng)度。

2）塑膠件表面的咬花處理，可增大塑膠件的實際粘接面積；另外，粗糙的表面可以使固化的膠粘劑與塑膠件形成更多的嚙合結(jié)構(gòu)----機(jī)械結(jié)合力而提高粘接強(qiáng)度，這已被理論與實踐所證實。

3）表面處理可以改善表面性能，可以提高塑膠件的表面張力，從而提高膠粘劑粘接強(qiáng)度。有些難粘的低表面能塑膠材料，經(jīng)過表面處理才能進(jìn)行有效的粘接。

3.2 表面處理的方法

表面處理的方法請參考國標(biāo)GBT21526-2008結(jié)構(gòu)膠黏劑粘接前金屬和塑料表面處理導(dǎo)則。

4.1 接頭類型：

膠粘緊固的接頭類型主要包括以下七種：

▲搭接

▲榫搭接

▲對接

▲斜接

▲夾板接

▲端接

4.2 外力的類型

拉伸力：外力與膠接面垂直，且均勻分布于整個膠接面

▲拉伸力

壓緊力

▲壓緊力

剪切力：外力與膠接面平行，且均勻分布于膠接面上

▲剪切力

剝離力：外力與膠接面成一定角度，并集中分布在膠接面的某一線上

▲剝離力

劈離力 （不均勻扯離力）：外力垂直于膠接面，但不均勻分布在整個膠接面上

▲劈離力

4.3 膠粘緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計指南

膠粘緊固的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循以下原則：

• 設(shè)計接頭盡量承受拉伸和剪切力，盡量避免剝離力和劈離力；
• 在可能允許的情況下，盡量增大粘接面積，提高膠層承載能力；
• 粘接時可選與被粘接材料剛度相同或相似的膠粘劑，最大限度減小應(yīng)力集中；
• 承受作用力較大的情況，可采用復(fù)接方式；
• 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)方便粘接工藝的實施；
• 應(yīng)選用熱脹系數(shù)較小的材料進(jìn)行粘接，熱脹系數(shù)相差較大的管材應(yīng)采用熱脹系數(shù)小的在外的套接方式；
• 接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)便于使膠層連續(xù)均勻；
• 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮與其他零件的關(guān)系，要方便裝配維修；
• 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)制造容易，美觀大方。

選用正確的膠粘劑是一個關(guān)鍵問題，但同時也是一個很難的問題。目前膠粘劑品種繁雜，牌號甚多，每一種膠粘劑不可能都是萬用的，不同的膠粘劑具有不同的性能特征、工藝條件和使用范圍。

就實用性而言，各種膠粘劑的差別是很大的，俗稱為“萬能膠”的環(huán)氧樹脂膠粘劑用途非常廣泛，但并非適宜任何目的。例如，用其粘接軟質(zhì)材料，一剝就開;用于振動場合，一沖就裂;而用于剛性材料的結(jié)構(gòu)粘接，卻十分牢固?？梢钥隙ǖ恼f，世界上現(xiàn)在沒有，將來也不會有，根本不存在所謂的“萬能”膠粘劑。

粘接技術(shù)涉及到被粘物、膠粘劑工藝方法、受力狀態(tài)、環(huán)境因素等。實際上粘物有不同的表面性質(zhì)，膠粘劑有不同的粘接性能，工藝上有不同的具體要求，粘接件有不同的受力類型，使用時有不同的環(huán)境條件。這些復(fù)雜的情況，絕不可能隨意拿來一種膠粘劑就盲目粘接，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，恰其所用。

5.1 既要滿足要求，又要經(jīng)濟(jì)合理

任何膠粘劑都有其長處，也有之短處。所謂膠粘劑的選用也就是用其之長，揚(yáng)長避短。充分發(fā)揮粘接技術(shù)的優(yōu)越性。否則不是收效甚微，就是徒勞無功，甚至造成不良影響和經(jīng)濟(jì)損失。在一些日常粘接件上發(fā)生類似情況比比皆是，粘接本身都是要滿足一定的使用要求，往往同時會有幾種膠粘劑都能達(dá)到同樣的要求。這就需要我們進(jìn)行一下比較，綜合分析，保證性能可靠，還要經(jīng)濟(jì)實惠?？梢娀ㄐ┕Ψ?，動些腦筋，認(rèn)真選擇合適的膠粘劑是很有重要意義的。

5.2 必須熟悉膠粘劑的種類和性能

目前對于如何選用膠粘劑還缺乏系統(tǒng)的理論方法和完整的數(shù)據(jù)資料，主要還是依靠際積累的知識和經(jīng)驗。塑膠件選用膠粘緊股，膠粘劑是基礎(chǔ)，正確選用其性能是重要依據(jù)。

不同類型的膠具有不同的性能，決定著它們的各種用途。熟悉各類膠粘劑的性能，才能得心應(yīng)手地選用。也就是說，對膠粘劑的性能掌握的越多，選擇也就越準(zhǔn)確。

5.3 了解塑膠材料的特性

塑膠種類很多，性質(zhì)各異，表面能有高低，必須根據(jù)材料性質(zhì)和表面特性去選擇合適的膠粘劑。

5.4 明確粘接的用途與目的

粘接具有諸多用途，能夠?qū)崿F(xiàn)多重目的，包括連接、緊固、密封、堵漏、填充、修補(bǔ)、絕緣、防腐等。任何一種膠粘劑的使用都會同時達(dá)到幾個目的，應(yīng)以其中之一為主去選用膠粘劑。如受力比較大的，理應(yīng)選用結(jié)構(gòu)膠粘劑(環(huán)氧多胺膠、環(huán)氧聚硫膠)；對于受力較小或非受力的部位可選用非結(jié)構(gòu)膠粘劑(氯丁膠、熱熔膠)；應(yīng)急修補(bǔ)可選用502膠、厭氧膠、快固丙烯酸酯膠和室溫快速固化的環(huán)氧膠等。

5.5 明確使用環(huán)境

粘接件都要在一定的環(huán)境中使用，環(huán)境因素對粘接性能有著重要影響。因此，在選用膠粘劑時不能忽視所使用的環(huán)境因素，一般有溫度、濕度、化學(xué)介質(zhì)、輻射、氧化、微生物等都必須加以考慮。

5.5.1 溫度

膠粘劑的性能與溫度關(guān)系密切。隨著溫度的升高，粘接強(qiáng)度降低，在低溫膠層發(fā)生脆裂,當(dāng)然也有隨著溫度降低粘接強(qiáng)度反而升高的膠粘劑如聚胺脂膠。一般的膠粘劑使用溫度為-40～150℃，如果在150℃以上或-70℃以下長期使用，必須選用耐高溫或耐超低溫的膠粘劑。

5.5.2 濕度

濕氣和水分對粘接界面的穩(wěn)定非常不利，是有害無益的。粘接件在使用中肯定要接觸空氣和水分，因為水分子體積小、極性大，能夠通過膠層類似毛細(xì)管作用滲透、擴(kuò)散積累于粘接界面，取代已形成的次價鍵，水能解某些化學(xué)鍵使粘接界面遭到破壞或自行脫開，造成粘接強(qiáng)度和耐久性降低。預(yù)防水分和濕氣最好是高溫固化，提高膠連密度。

5.5.3 化學(xué)介質(zhì)

化學(xué)介質(zhì)主要指酸、堿、鹽、溶劑等，不同類型的膠粘劑有不同的固化條件和耐受介質(zhì)的能力，應(yīng)根據(jù)塑膠件接觸的介質(zhì)選用膠粘劑。

5.5.4 戶外條件

產(chǎn)品所處的條件復(fù)雜，例如氣溫周期變化、風(fēng)吹雨淋、日曬冰霜等綜合作用，會加速膠層的老化使用壽命縮短。因此，在戶外條件下應(yīng)選用高溫固化或耐大氣老化性能較好的膠粘劑。

5.6 慎重考慮工藝實施的可能性

各種不同的膠粘劑要求不同的工藝條件。有的只需接觸壓力，室溫就能完成固化，有的不僅需要一定壓力，還要加熱才能固化，有的在室溫下能夠快速固化，有的則需要很長時間。

這些不同的工藝條件都會影響固定資產(chǎn)投資和膠粘工藝的成本。在面向成本的產(chǎn)品設(shè)計中，在選擇膠粘劑之前必須弄清楚相應(yīng)的成本。

一般說來，加熱固化的膠粘劑性能高于室溫固化膠粘劑，因此要求強(qiáng)度很高、耐久性好和耐介質(zhì)性強(qiáng)的粘接，應(yīng)選用高溫固化膠粘劑，特殊情況除外。

參考文獻(xiàn)：《面向成本的產(chǎn)品設(shè)計：降本設(shè)計之道》 2020年，機(jī)械工業(yè)出版社

—END—

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