愈來愈多的塑膠材料被廣泛的使用在電子市場上,而這些材料中有些為低能量表面 (Low Surface Energy) 的材質。由于低能量材質的表面在貼合時,會發生黏性不佳的限象。必要時,可經由表面處理的技術,來提升材料間的接合強度。因此,針對低能量表面的材質,其表面處理的方式,及技術探討的內容將會是重要的話題。
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將不同材質貼合在一起的化學物質稱為接著劑 (Adhesive),而不同材質間所形成的接合強度稱之為黏性 (Adhesion) ,相對于接著計本身內部的強度則稱為內聚力 (Cohesion)。當一種高性能的膠或膠帶被創造出來時,其本身就已具備良好的內聚力。此時,增加表面的黏性對整體的貼合強度是非常重要地。
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當接著劑涂佈在被貼物的表面以后,時間與溫度是表面濕潤 (Surface Wetting) 重要的因素。時間愈長,接著劑在表面的濕潤愈好,而溫度愈高,則接著劑愈容易流動。所以說,升高溫度可以幫助縮短表面濕潤所需要的時間。
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另一方面,被涂物的表面能量 (Surface Energy) , 也是引響接著劑在表面濕潤的重要因素,其物質表面能量的大小,會直接引響接著劑在表面的貼合強度。所以,選擇表面張力較低的接著劑,將對黏性有決定性的引響。例如,金屬及玻璃的材質,其表面能量大于200 (dyne/cm) ,選擇接著劑較為容易。反觀,PP及PE塑膠材質,其表面能量小于31 (dyne/cm),則選擇接著劑較為困難。
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被貼物表面能量與貼合加工所需的成本有直接的關系,表面能量愈低的材質,愈不容易貼合,必須藉由表面處理的技術或其它材料改質的方法,將表面能量提升。因此,貼合加工所需的成本,會明顯的增加,所以對于不同的材質,依其表面能量與貼合成本的關系如下:
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有效的表面處理包含1). 表面的清潔,2). 表面的研磨,3). 底膠的涂佈。首先,表面清潔的理由在于清除油漬及灰塵等表面污染物,一般可使用溫和的清潔劑或溶劑來清潔,無論接著劑的黏性有多強或是表面能量有多高,不清潔的表面往往是造成貼合失敗的主因。其次,表面研磨的目標著重于增加接處的總表面積,及除去表面的氧化層 (如生鏽),進而大幅提高表面能量的可能性。最后,底膠涂佈的主要策略,是讓表面能夠承受最大量的接著劑或上膠涂層,而不同底膠間的效能比較,則依其個別成份有所差異。
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一般而言,粗造的表面最好于上膠涂佈前,能輕輕地研磨至較為平整。同時,使用較厚的膠層,不但有利于將表面的間隙填滿,而且有助于避免在貼合線 (bond line) 上,產生微小的氣泡,需要特別注意表面是否產生黏性較脆弱的氧化層或邊界層 (boundary layer) 。反之,對于光滑的表面,如果接著劑的能量低于被貼物的表面能,則有利于表面濕潤。同樣地,輕度地研磨有助于增加接觸的總表面積。此時,表面能量是黏性最早大的因素,需特別注意表面是否含有可塑劑等物質,此類會游離到表面,進而產生黏性較脆弱的邊界層。
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涂底膠的目的是改善表面能量,使接著劑在被涂物上更容易流動或表面濕潤,可以增加單位面積內,所能夠承受最大量的接著劑或上膠涂層。底膠的功能,除改善表面能量外,同時還包含增加總表面積、增加表面的官能基、以及提升分子與分子間的交互作用等不同的目的。
電暈 (Corona) 或 火燄 (Flame) 的表面處理技術,可用來快速提升表面能量。但是,其效能會隨著與空氣接處的時間拉長而慢慢地消失,特別是對PP/PE及PET塑膠材質等。所以接著劑必須在表面處理后,儘快地涂佈完成。另外,此種表面處理方式,可單獨使用或結合底膠的作用,達到最佳的貼合強度。
對于一般較難貼合的低表面能塑膠材質,有下列常用的底膠供大家參考使用。
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除了上述的表面處理技術之外,變更接著部位設計 (bond join design) ,也是一個非常有效的方法。
良好的部位設計,如使用剪切力 (Shear) 及正向力 (Tensile) 的組合,是增強接合強度的基礎設計。
同時,儘量避免使用開裂力 (Cleavage) 及撥離力 (Peel) 的設計,可以減少接合強度的設計問題產生。
下列為一些基礎的接著設計,可供大家參考。
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