關于作者：鐘元，2011年出版書籍《面向制造和裝配的産品設計指南》（DFMA）。 2020年即将出版《面向成本的産品設計：降本設計之道》（DFC）。

膠粘是用膠粘劑将兩個或多個零件結合成一個整體。膠粘是一類古老而又年輕的方法；早在數千年前，人類的祖先就已經開始使用膠粘。許多出土文物表明，5000年前我們祖先就會用粘土、澱粉和香松等天然産物做膠粘，4000千多年前就會用生漆做膠黏劑和塗料制造器具，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的内聚等作用，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、有機的或無機的一類物質。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構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，結構型的膠粘劑包括環氧、聚氨酯和丙烯酸等，結構型的膠粘劑粘接強度大，甚至會超過其它焊接工藝。塑膠件的膠粘緊固的具體應用如下圖所示。

▲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

粘接的作用是發生在相互接觸的界面間，要達到良好的粘接，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，由點接觸變為面接觸。

2）. 膠粘劑與被粘物之間要有較強的相互作用力，産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、環境因素等有關。

a b = ab

(潤濕性） （粘合力） （粘接強度）

▲這就是表面張力

膠粘劑對被粘物的濕潤隻是粘接的前提，還必須能夠形成粘接力，才能達到粘接的目的。粘接力是指膠粘劑與被粘物之間的連接力，它的産生不僅取決于膠粘劑和被粘物表面的結構和狀态，而且還與粘接過程的工藝條件密切相關，粘接力是膠粘劑被粘物在界面上的作用力或結合力，包括機械嵌合力、分子間力和化學鍵力。

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，其表面能會嚴重影響粘接的強度。

2.2 關于表面能一些常識

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

▲高表面能和低表面能

表面能的日常應用：

• 一般金屬的表面能是高的，而膠粘劑用的有機聚合物往往具有低表面能，所以一般的有機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物或無機物所污染，緻使金屬表面能發生改變，假如污染物是一種表面能低得物質，則金屬表面能随之下降，膠粘劑在金屬上的潤濕性變差，粘接強度變低，所以我們在進行粘接前必須要清理金屬表面才能使其獲得相應的粘接效果。
• 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塗層。
• 低表面能材料不但兼具疏水性與疏油性質，對抗污、抗溶劑有更強的能力，可以用于制造防污塗料，而且具有環保功能

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 塑膠材料為什麼要進行表面處理

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，嚴重影響粘接強度。

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齧合結構----機械結合力而提高粘接強度，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度。有些難粘的低表面能塑膠材料，經過表面處理才能進行有效的粘接。

3.2 表面處理的方法

表面處理的方法請參考國标GBT21526-2008結構膠黏劑粘接前金屬和塑料表面處理導則。

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

▲夾闆接

▲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 膠粘緊固結構設計指南

膠粘緊固的結構設計需要遵循以下原則：

• 設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，最大限度減小應力集中；
• 承受作用力較大的情況，可采用複接方式；
• 接頭結構設計應方便粘接工藝的實施；
• 應選用熱脹系數較小的材料進行粘接，熱脹系數相差較大的管材應采用熱脹系數小的在外的套接方式；
• 接頭結構應便于使膠層連續均勻；
• 接頭結構設計應考慮與其他零件的關系，要方便裝配維修；
• 接頭結構設計應制造容易，美觀大方。

選用正确的膠粘劑是一個關鍵問題，但同時也是一個很難的問題。目前膠粘劑品種繁雜，牌号甚多，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、工藝條件和使用範圍。

就實用性而言，各種膠粘劑的差别是很大的，俗稱為“萬能膠”的環氧樹脂膠粘劑用途非常廣泛，但并非适宜任何目的。例如，用其粘接軟質材料，一剝就開;用于振動場合，一沖就裂;而用于剛性材料的結構粘接，卻十分牢固。可以肯定的說，世界上現在沒有，将來也不會有，根本不存在所謂的“萬能”膠粘劑。

粘接技術涉及到被粘物、膠粘劑工藝方法、受力狀态、環境因素等。實際上粘物有不同的表面性質，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，使用時有不同的環境條件。這些複雜的情況，絕不可能随意拿來一種膠粘劑就盲目粘接，必須進行适當的選擇，恰其所用。

5.1 既要滿足要求，又要經濟合理

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，揚長避短。充分發揮粘接技術的優越性。否則不是收效甚微，就是徒勞無功，甚至造成不良影響和經濟損失。在一些日常粘接件上發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到同樣的要求。這就需要我們進行一下比較，綜合分析，保證性能可靠，還要經濟實惠。可見花些功夫，動些腦筋，認真選擇合适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的理論方法和完整的數據資料，主要還是依靠際積累的知識和經驗。塑膠件選用膠粘緊股，膠粘劑是基礎，正确選用其性能是重要依據。

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

5.3 了解塑膠材料的特性

塑膠種類很多，性質各異，表面能有高低，必須根據材料性質和表面特性去選擇合适的膠粘劑。

5.4 明确粘接的用途與目的

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

5.5 明确使用環境

粘接件都要在一定的環境中使用，環境因素對粘接性能有着重要影響。因此，在選用膠粘劑時不能忽視所使用的環境因素，一般有溫度、濕度、化學介質、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系密切。随着溫度的升高，粘接強度降低，在低溫膠層發生脆裂,當然也有随着溫度降低粘接強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管作用滲透、擴散積累于粘接界面，取代已形成的次價鍵，水能解某些化學鍵使粘接界面遭到破壞或自行脫開，造成粘接強度和耐久性降低。預防水分和濕氣最好是高溫固化，提高膠連密度。

5.5.3 化學介質

化學介質主要指酸、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的能力，應根據塑膠件接觸的介質選用膠粘劑。

5.5.4 戶外條件

産品所處的條件複雜，例如氣溫周期變化、風吹雨淋、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。有的隻需接觸壓力，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産投資和膠粘工藝的成本。在面向成本的産品設計中，在選擇膠粘劑之前必須弄清楚相應的成本。

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

參考文獻：《面向成本的産品設計：降本設計之道》 2020年，機械工業出版社

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