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胶粘剂在难粘塑料材料中的研发进展
  2021-03-30      35

范高忱,邵建义 博士

塑料及胶粘剂应用背景[1-4]

在国民经济飞速发展的当今社会,塑料新材料的专业技术水平和产业规模已成为衡量一个国家经济发展和科技进步的重要因素。塑料产品在生产及应用中展现出许多的优势,例如良好的加工性能,成本低,优异的物理机械性能,高强度,高韧度,耐刮擦,出色的耐化学耐腐蚀性能,耐热性,绝缘性等等。然而塑料产品的连接方式上却充满了挑战。为了保证轻量化,微型化的特点,工业胶粘剂粘接有着显著的优势并且逐渐代替了铆接、螺纹连接、焊接等传统的机械连接方式。随着越来越多难粘新材料例如PEEK,LCP等的引进,由于其表面能低,液晶分层等性质,给胶粘剂也带来了前所未有的挑战。出色的胶粘剂,才能使塑料产品的优势最大化的体现在产品之中,尤其是产品的组装、不同塑料的混合装配使用中。

难粘材料的胶水研发新进展

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难粘材料粘接困难的特性是由多方面因素影响的。难粘材料普遍浸润性差,由于材料表面能较低,导致液体难以润湿接触,进而影响粘接。难粘材料的化学稳定性较好,结晶程度高,溶胀困难,导致胶粘剂很难在其表面发生高聚物分子链的扩散和缠结。难粘材料还有极性低的特点,表面缺乏诱导力,难以粘附 [5]。典型的难粘塑料有LCP,PEEK,PA,PBT等,针对这些材料,我们选取了德国高端胶水供应商Panacol品牌的粘合剂作为实验研究对象,下面四张柱状图为一些产品在难粘材料中的表现。

PEEK材料是近年来兴起的一种新型的工程材料,广泛应用于消费电子、汽车电子、一般工业、医疗等行业,可以作为耐高温的结构件、特殊的密封件甚至是特殊的功能材料,比如手机微型扬声器的振动膜片等。往往其组装就需要用工业粘合剂来实现。我们选取了针对不同行业的应用开发的不同类型的工业胶粘剂来进行对比,包括需要紫外光固化的UV胶比如:Vi 6108T, Vi4731T。也包括需要加热固化的高强度结构胶,比如St 8801和St 5891,尤其是St 5891粘接PEEK的强度可以高达26兆帕以上。

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图1:Panacol胶水对PEEK材料的粘接强度。

随着电子产品的不断微型化和多功能化,其结构设计也越来越紧凑和复杂。往往需要粘接的零部件也越来越小,有时候因为有阴影区域,不是所有的产品都能用UV胶来固化。针对这种情况,各大胶粘剂公司也分别开发出了UV与加热固化和UV与湿气固化的双固化胶水。就是一种胶水有两种固化机理,可以用UV光照,进行快速的固化,然后不见光的地方再用第二种固化机理进行固化。这样就能保证所有要粘接的区域都能被完全固化,从而提高粘接强度和可靠性,避免由于胶水没有固化而导致其他风险发生。

    PBT也是一款十分好的工程塑料,其具有耐高温、低吸水性、耐化学腐蚀、低比重、低翘曲和电气特性佳等优点,同时具有良好的尺寸稳定性及加工特性。所以被广泛应用于汽车工业和消费电子行业。针对PBT,考虑到不同客户工艺的需求,我们选取了多款固化方式不同的胶粘剂进行对比,包括加热固化的St 8801,UV固化的Vi 2113, UV与加热固化的Vi UD 5134,以及UV与湿气固化的Vi Y-1230988,甚至还有不需要加热,在常温下就能固化的GTI双组份快速固化的丙烯酸系列胶水。其中Vi Y-1230988 粘接强度可以高达15MPa,甚至超过了某些工程塑料的强度。而St 8801 则粘接强度不但高达18 Mpa,而且其固化速度极快,可以在150度的温度下3-5分钟就能完全固化,实现高强度粘接,这样就大大提高了生产效率。

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图2:Panacol胶水对PBT材料的粘接强度。

针对LCP这种常用的工程材料,同样也选取了多款各种功能和适用于各种生产工艺的粘合剂,比如Vi Y-961368,就是一款UV固化的,黑色,表面亚光的特殊UV胶,它可以用于诸如要求胶水是黑色,不能反光,并且要快速固化的手机摄像头镜头粘接部位。再比如Vi7311T,也是一款UV固化的胶水,但其还有一个显著的特点就是符合相关医疗认证,所以,也可以应用于医疗行业,而且其固化速度极快,甚至可以在2秒钟就能固化。

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图3:Panacol胶水对LCP材料的粘接强度。

PA,即聚酰胺也是结晶型塑料,俗称尼龙,常见的有PA66、PA1010、PA610等。尼龙具有机械强度高、韧性好、耐疲劳、表面光滑、有自润滑性,摩擦系数小、耐磨、耐热(100℃内可长期使用)、耐腐蚀、易成型等优点。PA66是PA系列中机械强度最高、应用最广的品种,因其结晶度高,故其刚性、耐热性都较高。广泛应用于高温电气插座零件、电气零件、机械装置、高压封口垫片、阀座、电池箱、绝缘电气零件、线芯、抽丝等领域。近年来,也被应用于消费电子行业,比如可穿戴式设备的结构件中。但PA的粘接同时也是工业界的一个难题。我们也选取了一系列用于粘接PA的工业胶水。这些胶水也包括UV大类和热固化的环氧大类。尤其是UV类型的Vi 1517,其粘接PA的强度高达23MPa。而Vi 8050系UV与湿气固化的双固化胶水。见光的部分可以UV瞬间固化,不见光的部分后续吸收空气中的湿气自然固化。极大地简化了生产工艺。

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图4:Panacol胶水对PA材料的粘接强度。

这些产品,不仅在对于如上这些难粘工程塑料有着出色表现,对于大部分常见的包装行业材料也有很好的粘接力。图5列出了Panacol胶水对于一些常见材料的粘接强度。由此也可以发现这些胶水的通用性和普适性。

目前市场上胶粘剂的产品种类众多,固化机理灵活,有纯UV紫外光固化,有UV光固化与加热固化结合,有UV光固化与湿气固化结合还有纯加热固化的结构胶。在粘度,硬度,外观等方面上也有很多的选择,适用范围十分广泛。比如Panacol Vi UV 2113这款胶水,是一款丙烯酸杂交体系的树脂,固化仅仅需要几秒钟,与许多材料都有着出色粘接力,而且热膨胀系数很低,在诸如消费电子、汽车电子等许多行业中都有应用。再比如Vi UD 8050是一款UV光固化加湿气固化的胶水,具有高粘接强度的同时,由于其湿气固化的机理,耐环境性能十分出色。

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图5:Panacol胶水对常见材料的粘接强度。

结束语

随着新的生产工艺和材料的发展,业界对胶粘剂行业也提出了越来越高的要求,胶粘剂各企业要抓住这一机遇,一直跟随着时代的脚步,不断研发,不断创新,为客户提供优秀的粘合剂。对于行业普遍难粘的塑料材料,市场总是期盼有更为出色的粘接解决方案,尤其在粘接强度、胶粘剂的固化方式、施胶工艺等方面,都能进一步实行创新。并在胶水的各种性能上,为客户进行定制。未来在胶粘剂行业胜出的企业,一定是那些走在科技进步的最前沿,为市场提供粘接力好,施胶方式多样,固化方式灵活,固化效率高的优秀产品的企业。

参考文献

1邵建义. 迎接挑战,砥砺前行,奋力拥抱新时代——胶粘剂行业未来已来. 中国经济信息,2018, (2)

2塑料在包装领域中的应用. 2016

3       工程塑料的新发展与新应用. 中国学术期刊网

4       2017年塑料行业十大细分概况及发展预测. 塑商汇. 2017

5       刘万章, 潘卫春. 难粘材料胶粘剂及粘接技术研究. 中国胶粘剂 2003, 12(4)

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