膠粘劑—膠水的粘接工藝：上一篇文章分享了自己對(duì)于膠水的基本定義與分類的相關(guān)知識(shí)。

今天繼續(xù)總結(jié)一下膠水的粘接工藝希望對(duì)你有所幫助。

下圖是對(duì)于常規(guī)膠水粘接的一些工藝說明。

1.膠水的選型

1.1被粘材料的種類與性質(zhì)（金屬塑膠陶瓷木材）

1.1.1材料的種類，對(duì)應(yīng)材料的CTE熱膨脹系數(shù)等（應(yīng)力問題）

膠水要形成粘接要有兩個(gè)條件：

a.膠水在基材的表面良好的浸潤；b.粘接的界面具備一定的粘接強(qiáng)度。

而目前較為成熟的粘接理論主要有五類：

a.吸附理論：膠黏劑與基材表面分子距離近1nm左右時(shí)，存在分子間的作用力，即范德華力作用（取向力，誘導(dǎo)力，色散力）,力的作用，形成良好的粘接。

b.擴(kuò)散理論：膠黏劑與基材表面分子之間相互擴(kuò)散，形成分子的纏結(jié)，金屬與陶瓷的擴(kuò)散形成牢固的界面擴(kuò)散層，進(jìn)而形成良好的粘結(jié)。

c.靜電理論：所有的原子都有一定的電負(fù)性，當(dāng)膠黏劑與基材之間存在著較大電負(fù)性差異時(shí)，兩者之間形成靜電吸引，形成靜電力，從而在粘接的過程中發(fā)揮作用。

d.機(jī)械互鎖理論：基材表面粗糙多孔，膠粘劑在滲透到基材表面的孔內(nèi)，凹坑中，固化后膠水與基材形成互鎖。

e.化學(xué)鍵理論（主價(jià)鍵力）：膠黏劑表面化學(xué)鍵與基材表面的化學(xué)鍵之間發(fā)生反應(yīng)在界面形成化學(xué)鍵結(jié)合（離子鍵，共價(jià)鍵，配位鍵），如氨基與羧基，羥基與羧基等。又如對(duì)表面能較低的基材進(jìn)行O2、NH3的plasma處理，增加基材的表面的氨基與含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)接枝，進(jìn)而增加與膠黏劑之間的化學(xué)鍵合，增強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度。

其實(shí)這幾類粘接理論都只是適用于某些粘接的情況?？傮w來看，膠黏劑要形成粘接，就是要實(shí)現(xiàn)膠黏劑的擴(kuò)散，浸潤，膠水與基材之間表面張力的差異，通過吸附、擴(kuò)散、靜電吸引，機(jī)械互鎖，形成化學(xué)鍵進(jìn)而實(shí)現(xiàn)膠水在不同基材表面的粘接。

所以這也就為什么不同膠水適用于不同的基材，這與膠水本身的結(jié)構(gòu)成分，基材的表面結(jié)構(gòu)成分，都是息息相關(guān)。這也是材料學(xué)的一句老話，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定性能。

所以膠水的選型，對(duì)于基材的考察是必要的。

再例如在很多光學(xué)鏡片，或是顯示面板燈領(lǐng)域，膠水與基材的CTE的差異會(huì)對(duì)于產(chǎn)品的性能產(chǎn)生巨大影響。

如UV膠粘接手機(jī)攝像模組的感光芯片與紅外濾光片時(shí)，就有案例因?yàn)槟z水與基材熱膨脹系數(shù)的差異較大，導(dǎo)致后續(xù)熱處理過程中，導(dǎo)致了紅外濾光片的開裂。因而膠水的選型，一定要考慮基材與膠水的熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異。

當(dāng)然材料的彈性模量，強(qiáng)度大小也是要考慮的。這里不做詳細(xì)討論。

1.1.2材料的表面能（決定是否好粘，是否需要表面處理）

材料的種類確定后，還要考慮基材的表面能。在數(shù)值上表面張力與表能大小相等，要好粘，從粘接界面的微觀受力來看，膠水的表面能要小于被粘接基材的表面能。因而對(duì)于低表面能物質(zhì)表面，膠水是比較難以粘接牢固的，例如PTFE，PFA，和其他一些含氟的高分子材料，表面能稍微高一定的PP，PE也是表面能相對(duì)較低的，也是較難粘接的材料。因而要獲得可靠的粘接，膠水的表面能能低一些，而被粘表面的相對(duì)高一些。當(dāng)然也是可以通過表面處理進(jìn)行表面能的改善。下面會(huì)有詳細(xì)說明。

1.2使用的環(huán)境與工作條件

1.2.1使用的環(huán)境：高低溫，高濕熱，高輻射，真空，是否存在化學(xué)介質(zhì)等

膠水的使用環(huán)境及工作條件也是必須要認(rèn)真考慮。膠水不同的物化性質(zhì)，決定其適用于不同的粘接場合。

環(huán)氧膠強(qiáng)度高，耐化學(xué)介質(zhì)，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱收縮率相對(duì)低，尺寸穩(wěn)定性較好，但相對(duì)來說比較脆。因而環(huán)氧膠比較適合粘接強(qiáng)度較大的，同時(shí)對(duì)于存在化學(xué)介質(zhì)腐蝕的場合也較為適用。但對(duì)于交變載荷作用的場合，需要對(duì)環(huán)氧膠進(jìn)行增韌改性，否則容易產(chǎn)生疲勞失效。

厭氧膠對(duì)于在空氣介質(zhì)，或是開放界面場景不太適用，影響固化，所以為什么厭氧膠較為適合作為螺紋膠使用，金屬基材對(duì)于固化有促進(jìn)作用，同時(shí)螺紋的密閉結(jié)構(gòu)能夠隔絕氧氣，進(jìn)而在無氧的條件下可以產(chǎn)生自由基，引起聚合反應(yīng)，形成鏈的增長到最終的鏈的終止，形成固化。

而UV膠與瞬干膠的主要特點(diǎn)就固化速度快，因而對(duì)于需要快速固化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的場合，UV膠，瞬干膠具有較為廣闊的應(yīng)用。

而聚氨酯膠的耐低溫性能較好，同時(shí)也有聚氨酯熱熔膠在密封，電子器件粘接，電子電路的灌封應(yīng)用較廣。

聚氨酯膠黏劑的硬度可調(diào)，通過聚醚醇或是聚酯醇軟段與異氰酸酯硬段比例的不同可調(diào)節(jié)聚氨酯的硬度，使其具有一定的彈性，在一些存在振動(dòng)的場合，比較適合使用，如汽車的擋風(fēng)玻璃的邊界固定安裝。

而有機(jī)硅密封膠，高溫耐受較好，同時(shí)能承受高低交變的溫度的環(huán)境，適用于環(huán)境溫度多變的場合。

因而對(duì)于膠水的選擇一定要考慮使用的場合，選擇適合場景的膠水才能形成良好的粘接，具備長的使用壽命。




1.3性能要求

其實(shí)這也是上面所說的，要獲得一定強(qiáng)度的，耐受性的結(jié)合面，膠水的選擇一定要考慮。比如對(duì)于拉伸強(qiáng)度要達(dá)到20-30MPa的接頭，那對(duì)于膠水的選擇就要注意，因?yàn)橛行┠z水形成接頭的拉伸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到以上的要求，因而只能夠某些高粘結(jié)強(qiáng)度膠水的選擇。

1.4固化條件

膠水的選型也要考慮固化的條件，是否需要專用的固化設(shè)備。

如是否需要加熱，對(duì)于固化的溫度是否有嚴(yán)格要求，UV燈具，濕度等固化設(shè)備，同時(shí)也要考慮是否需要膠水混合的設(shè)備（雙組份的膠水），或是真空脫氣泡的設(shè)備等。于此同時(shí)也要考慮膠水的開放時(shí)間（可操作性時(shí)間）以及膠水的存儲(chǔ)器，預(yù)固化時(shí)間。比如有些膠水應(yīng)用場景是人工手工上膠，那要重點(diǎn)考慮開放時(shí)間盡可能的長一些的膠水。

固化條件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)點(diǎn)較多，對(duì)于膠水的選擇具有重要的意義。

1.5成本

根據(jù)用量，產(chǎn)品的性能需求評(píng)定需要評(píng)定成本，尤其是企業(yè)生產(chǎn)，成本的管控都是較為嚴(yán)格的，因而高性能的膠水的選擇也是需要考慮成本，總之要兼顧性能與成本，達(dá)成一個(gè)相對(duì)平衡。

2.粘接接頭的設(shè)計(jì)

通常膠接的連接形式相對(duì)于焊接，鉚接，螺釘連接有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：

1.接頭內(nèi)應(yīng)力分布均勻

2.可連接不同的材料（同種或是異種材料）

3.適合連接薄的材料，對(duì)于不同厚度的材料均可以進(jìn)行連接

4.連接過程屬于低熱甚至常溫的加工過程，不會(huì)因?yàn)闊岬挠绊憣?dǎo)致連接部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變更（連接過程較為溫和）

5.膠黏劑較好的隔離外界腐蝕介質(zhì)，且自身也是一種絕緣物質(zhì)，可減少基材件的電化學(xué)腐蝕

6.不存在類似鉚接與螺釘孔導(dǎo)致基材強(qiáng)度弱化的問題

7.交接不用如同螺釘連接，或是焊接一樣需要考慮部件的尺寸配合問題

8.膠水連接可以有一定彈性，可在有震動(dòng)的場合使用

缺點(diǎn)：

1.膠水接頭對(duì)于高低溫度較敏感，使用溫度受限

2.抗沖擊及剝離強(qiáng)度相對(duì)低，易失效

3.有蠕變的趨勢

4.有些類型的膠水的完全固化時(shí)間較長，影響生產(chǎn)效率

5.對(duì)于表面能低，或是存在臟污的基材需要進(jìn)行特定的表明處理

6.接頭加工為一次性加工，不存在二次調(diào)整可能

7.對(duì)于熱膨脹系數(shù)差別大的材料存在開裂風(fēng)險(xiǎn)

從以上來看，膠接接頭優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，因而接頭的設(shè)計(jì)盡可能的揚(yáng)長避短。

接頭的結(jié)構(gòu)形式有對(duì)接，斜接，搭接等。接頭結(jié)構(gòu)形式需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景進(jìn)行確定，但應(yīng)盡可能的是應(yīng)力分布均勻，獲得最大的粘接力，減少外部對(duì)于膠層的多重受力。

為了提高粘膠強(qiáng)度，盡可能的增大粘接面積，且對(duì)于基材的表面可進(jìn)行一定程度的粗糙化。當(dāng)然也需要考慮膠水在接頭的施膠工藝。同時(shí)盡可能的使接頭的固化方便，快速，完全。

接頭的尺寸，主要是縫隙，粘膠寬度，粘接面積等需要正確的考慮。例如膠水填充的縫隙的大小一般適合0.05-0.5mm之間，具體數(shù)值需要根據(jù)膠水的粘度（流動(dòng)性），連接作用確定。

3基材的表面處理

基材的表面處理主要是為了提高粘接的強(qiáng)度，通常有以下幾類處理方式：

3.1機(jī)械處理（磨銑車，噴砂表面粗糙化，拋光等）

機(jī)械處理作用是為了出去基材表面的臟污，鐵屑，氧化皮，這些基材的表層物質(zhì)會(huì)極大程度的影響粘接的強(qiáng)度。當(dāng)然有些為了獲得膠水與基材的機(jī)械互鎖作用，會(huì)增加基材的表面粗糙度，如通過機(jī)加，噴砂，或是激光打標(biāo)獲得一定的表面粗糙度，或是構(gòu)建表面織構(gòu)圖案實(shí)現(xiàn)膠水的浸潤，粘接面積的增加。

3.2化學(xué)預(yù)處理（酸洗，堿洗去油脂，其他液體溶劑的超聲清洗浸泡，干燥）

化學(xué)處理主要是針對(duì)基材表面的油脂，臟污，通過化學(xué)溶劑，酸堿液進(jìn)行清洗能很好去除，同時(shí)結(jié)合超聲振動(dòng)處理，對(duì)于微小縫隙的臟污也能清洗干凈。當(dāng)然也有些膠水能夠?qū)崿F(xiàn)油面粘接，如第二代丙烯酸樹脂膠（SGA），部分有機(jī)硅膠。因而對(duì)于工作環(huán)境就是油面的場景，可以考慮這兩種膠水。

3.3物理預(yù)處理（烘烤，電暈處理，低壓等離子體處理）

物理預(yù)處理主要是針對(duì)表面能較低的部件需要采用處理工藝進(jìn)行處理獲得較為理想的粘接界面。

處理的方式主要有烘烤，電暈處理，這些主要是增加塑膠基材的表面能。通過烘烤，電暈處理，塑膠材料表面被氧化，表面的含氧官能團(tuán)增加，使得表面能增加。

低壓等離子體處理也有類似的作用，等離子體處理主要是對(duì)于基材有轟擊，清洗，刻蝕，化學(xué)接枝，甚至薄膜制備等作用。對(duì)于低表面能物質(zhì)，經(jīng)過等離子體處理，根據(jù)電源能量的不同，氣壓，通入的工作氣體，基材的表面會(huì)顯現(xiàn)不同的狀態(tài)。

O2，NH3等離子體的處理一般會(huì)增加基材表面的表面能，Ar N2或是混合氣體的等離子體的處理對(duì)于基材的表面清洗作用明顯。在高能量的等離子體的，且具有一定偏壓的情況下，對(duì)于基材能起到表面粗化的轟擊作用。

一般電暈，或是等離子體處理后的基材，越早粘膠，處理對(duì)于提升粘接強(qiáng)度的效果越好。因而物理預(yù)處理主要能不同程度的提升表面能，以獲得良好的粘接效果。

3.4其他處理（底涂劑處理等）

有些膠黏劑與基材的粘接效果差，需要進(jìn)行底涂劑處理，再進(jìn)行施膠，如肟型單組分室溫固化硅橡膠

4施膠工藝

根據(jù)膠水的不同形態(tài)會(huì)有不同的膠黏劑的涂覆方法：

1液體膠施膠：刷子刷膠，輥涂涂覆，點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)膠（自動(dòng)化產(chǎn)線），噴涂，絲網(wǎng)印刷(PCB板涂膠)，手動(dòng)玻璃棒涂覆。膠水的涂覆都是盡可能均勻，厚度一致。

2固體膠：加熱熔融成液體，再手動(dòng)或是機(jī)械涂覆到工作面。比如熱熔膠。

3粘接薄膜：膠膜直接裁剪需要尺寸及形狀放在粘接部位上，或是模壓在粘接部位

4膠帶：直接粘貼在需要連接的部位或是封口的部位，主要是壓敏膠。

影響粘接效果的因素：膠水的粘度，彈性模量，熱膨脹系數(shù)，溫度，時(shí)間，基材預(yù)處理，空氣濕度，粘接設(shè)備等

5.膠黏劑的固化

1物理固化：溶劑揮發(fā)、熱熔膠加熱熔融冷卻凝固型、壓敏膠施壓固化(粘接)、混合型：熱熔壓敏膠（聚氨酯膠）。溶劑揮發(fā)型的膠黏劑中的溶劑存在危害環(huán)境，對(duì)于操作人員構(gòu)成危害。目前水性膠水逐步取代溶劑揮發(fā)型膠黏劑，符合低VOC物質(zhì)，RoHS及環(huán)保要求。而對(duì)于熱熔膠而言，無溶劑揮發(fā)，固化工藝簡單，在3C電子相關(guān)行業(yè)具有較好的發(fā)展前景。

2化學(xué)固化：常溫、加熱化學(xué)反應(yīng)型（膠料與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)）、光照射（UV）、電子束照射促使引發(fā)劑，引發(fā)，鏈增長-鏈終止化學(xué)反應(yīng)型、濕氣固化型：空氣水氣與固化劑或是單體反應(yīng)促成膠黏劑交聯(lián)反應(yīng)（大多單組分膠黏劑，環(huán)氧膠除外）。大多數(shù)工程用膠都是使用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行固化，通過加成或是縮聚，進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鏈的增長，獲得高分子材料纏繞的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

6可靠性測試與失效分析

對(duì)于膠水的可靠性，需要進(jìn)行破壞性或是非破壞性的方式進(jìn)行測試，確保設(shè)計(jì)的接頭，使用的膠水，固化的工藝符合要求。

1模擬工作條件進(jìn)行可靠性的測試（高溫高濕，冷熱沖擊，受力疲勞，耐受介質(zhì)（介質(zhì)浸泡））

2接頭失效：粘接界面失效，內(nèi)聚破壞失效，基材破壞失效，混合破壞失效。通過拉伸剪切等測試結(jié)合膠水廠家提供的TDS資料，確定接頭的強(qiáng)度。

3對(duì)于失效樣品進(jìn)行分析（原因定位：膠水，施膠，固化，接頭設(shè)計(jì)，環(huán)境因素，）并進(jìn)行改善優(yōu)化。




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