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(jì)指南》（DFMA）,。
2020年即將出版《面向成本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)：降本設(shè)計(jì)之道》（DFC）,。

膠粘是用膠粘劑將兩個(gè)或多個(gè)零件結(jié)合成一個(gè)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(huì)用粘土,、淀粉和香松等天然產(chǎn)物做膠粘,，4000千多年前就會(huì)用生漆做膠黏劑和涂料制造器具，3000年前的周朝已用動(dòng)物膠作木船的填縫密封膠,。

膠粘劑是指通過(guò)界面的黏附和物質(zhì)的內(nèi)聚等作用,，能使兩個(gè)或多個(gè)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(wú)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(gè)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)^(guò)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(dòng)打膠

▲PE與PE

▲PE與玻璃纖維

▲PE與金屬

2.1 良好粘接的兩個(gè)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(gè)條件：

1）. 膠粘劑要能很好的潤(rùn)濕被粘物表面

液體膠粘劑向被粘物表面擴(kuò)散,，逐漸潤(rùn)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(diǎn)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(jià)鍵或主價(jià)鍵。

液體的濕潤(rùn)主要由表面張力所引起的，液體和固體皆有表面張力,，對(duì)液體稱為表面張力,，而固體稱為表面能。濕潤(rùn)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(rùn)濕性） （粘合力） （粘接強(qiáng)度）

▲這就是表面張力

膠粘劑對(duì)被粘物的濕潤(rùn)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(guò)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(rùn)濕是粘接的先決條件,。因此，對(duì)于塑膠材料的粘接來(lái)說(shuō),，其表面能會(huì)嚴(yán)重影響粘接的強(qiáng)度,。

2.2 關(guān)于表面能一些常識(shí)

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(rùn)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(rùn)濕金屬表面,，但金屬表面常被一些有機(jī)物或無(wú)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(rùn)濕性變差,，粘接強(qiáng)度變低,，所以我們?cè)谶M(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(rùn)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(duì)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?yàn)槟z粘劑對(duì)被粘物表面的浸潤(rùn)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(huì)阻礙膠粘劑與塑膠件之間的浸潤(rùn)，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(shí)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(shí)踐所證實(shí)。

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(guò)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(qǐng)參考國(guó)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(duì)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(gè)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(gè)膠接面上

▲劈離力

4.3 膠粘緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南

膠粘緊固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循以下原則：

• 設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)應(yīng)方便粘接工藝的實(shí)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(jì)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(jì)應(yīng)制造容易,，美觀大方,。

選用正確的膠粘劑是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，但同時(shí)也是一個(gè)很難的問(wèn)題,。目前膠粘劑品種繁雜,，牌號(hào)甚多，每一種膠粘劑不可能都是萬(wàn)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(shí)用性而言,，各種膠粘劑的差別是很大的,，俗稱為“萬(wàn)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(dòng)場(chǎng)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(shuō),，世界上現(xiàn)在沒(méi)有，將來(lái)也不會(huì)有,，根本不存在所謂的“萬(wàn)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(shí)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(shí)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(lái)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(zhǎng)處,，也有之短處。所謂膠粘劑的選用也就是用其之長(zhǎng),，揚(yáng)長(zhǎng)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(wú)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(shí)會(huì)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(shí)惠,?？梢?jiàn)花些功夫，動(dòng)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(duì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn),。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(shuō)，對(duì)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(huì)同時(shí)達(dá)到幾個(gè)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(duì)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(duì)粘接性能有著重要影響。因此,，在選用膠粘劑時(shí)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(zhǎng)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(duì)粘接界面的穩(wěn)定非常不利,，是有害無(wú)益的,。粘接件在使用中肯定要接觸空氣和水分，因?yàn)樗肿芋w積小,、極性大,，能夠通過(guò)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(jià)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(huì)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間,。

這些不同的工藝條件都會(huì)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(jì)中,，在選擇膠粘劑之前必須弄清楚相應(yīng)的成本,。

一般說(shuō)來(lái)，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(jì)：降本設(shè)計(jì)之道》 2020年，機(jī)械工業(yè)出版社

—END—

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