1、聚合物的粘接及粘接机理 姓名：毛培 学号：11111842265 班级：11级应用化学 主要内容一、基本原理二、粘接理论与机理三、粘接接头的设计四、影响粘接强度的因素一、基本原理1 浸润与粘接 粘接实际上是一种界面现象，粘接的过程主要是界面物理和化学变化的过程。要使两个制件能紧密的粘接起来，并具有一定的强度,胶黏剂必须与制件表面相互“润湿”，其重要前提是在界面形成某种最低的能量结合。因此，接下来将从表面物理和化学的角度来讨论粘接。液体润湿固体程度：90不能很好润湿；90能很好润湿；=180 表示完全不润湿 =0 表示完全润湿胶粘剂对被粘物表面的润湿 粘接接头具有良好粘接性能的先决条件：胶黏剂与
2、被粘物之间形成浸润状态 如果浸润得好，被粘物和胶黏剂分子之间紧密接触而发生吸附，则粘接界面形成了巨大分子间作用力，同时排除了粘接体表面吸附的气体，减少了粘接界面的空隙率，提高了粘接强度。=180表示胶液完全不能浸润被粘接固体的状态 =0 表示胶液完全浸润的状态 2 粘接张力 粘接张力是在粘接过程中所产生的，也称为润湿压，是描述液体浸润固体表面时固体表面自由能的变化情况，用A表示，根据Young氏方程有：A=rlvcos=rsv-rsl 上式表明：当胶黏剂浸润固体时，固体表面的自由能减小。当rlv一定时，即液体（胶黏剂）固定，改变固体（被粘结物）时，cos越大（越小）润湿越好。3 临界表面张力
3、临界表面张力rc与固体表面的化学结构有着密切关系，不同的物质其界面化学参数不同。对于某种固体来讲，当液体的rlv大于该固体的rc时，液体在该固体表面保持一定的接触角，并达到平衡；而当液体表面张力小于固体表面张力时，固体表面将被浸润。对于低表面能固体，rc值可以与表面自由能rs相等。4 黏附功 液体-固体体系的黏附功：WA=Rlv(1+COS)其数值随液体对固体的接触角变化而变化。在完全不浸润的情况下，COS=-1，WA=0。在完全浸润的情况下，黏附功等于液体表面张力的2倍。Zisman等利用浸润临界表面张力rc值的性质，推导了黏附功与液体表面张力及固体rc值之间的关系：WA=（2+b rc)r
4、lv-br2lv 式中，b是经验常数，在低表面固体的情况下约等于0.026 二 粘接理论与机理v吸附理论v扩散理论v静电理论v机械结合理论v弱边界层理论v其他理论1 吸附理论 吸附理论是以分子间作用力，即范德华力为基础，在20世纪40年代提出并建立的。吸附理论将粘接过程划分为两个阶段：第一阶段为胶黏剂分子通过布朗运动向被粘接物体表面移动扩散，是二者的极性基团或分子链段相互靠近，在此过程中可通过升温、降低胶黏剂的黏度和施加接触压力等方法来加快布朗运动的进行。第二阶段是由吸引力产生的，当胶黏剂与被粘物分子间距达到10埃时，便产生了分子之间的作用力，即范德华力，使得胶黏剂与被粘结物结合更加紧密。对吸
5、附理论的客观评价：吸附理论正确地把粘结现象与分子间作用力联系在一起，在一定范围内解释了粘结现象。但是它还存在许多不足。吸附理论把粘接作用主要归因于分子间作用力，但对于胶黏剂与被粘接物之间的粘接力大于胶黏剂本身的强度这一事实却无法圆满解释。在测定粘接强度时，无法解释粘接力的大小与剥离速率有关的情况。无法解释诸如极性的a-氰基丙烯酯能粘接非极性的聚苯乙烯类化合物的现象。无法解释高分子化合物极性过大，粘结强度而降低的想象。2 扩散理论v界面扩散形成一个过渡层；v两聚合物的胶结是在过渡层中进行的；当两种高聚物的溶解度参数相接近时便会发生互溶和扩散。界面发生互溶时，胶黏剂与被粘接物之间的界面逐渐消失，变
6、成了一个过渡区域，这有利于提高粘接接头的强度。在粘接体系中，适当降低胶黏剂的分子量有助于提高扩散系数，改善粘接性能。3 静电理论 理论基础：双电层 静电理论认为当金属和非金属材料紧密接触时，由于金属对电子的亲和力低，容易失去电子，而非金属对电子的亲和力高，容易得到电子，所以电子可以从金属移向非金属，这样就在界面产生接触电势，形成双电层，双电层电荷的性质相反，产生静电引力。一切具有电子供给体和接受体的物质都可以产生界面静电引力作用。由上述静电理论可知，双电层含两种符号 相反的空间电荷，这种空间电荷间形成的电场所产生的吸附作用有利于粘接作用。当胶黏剂-被胶粘物体系是一种电子的接受体-供给体的组合形
7、式时，由于电子从供给体相（如金属）转移到接受体相（如聚合物），在界面区两侧形成了双电层。4 机械互锁理论 机械互锁理论认为粘接力的产生主要是由于胶黏剂在不平的被粘物表面形成机械互锁力。对于多孔性材料，胶黏剂可以轻易地渗透到这些凸凹不平的沟壑或空隙中去，并部分地置换出这些空隙中的空气，形成了胶黏剂与被粘物之间以弯曲的路径作紧密接触，固化之后的胶黏剂就像小钩子似地与被粘物连接在一起，在剥离过程中，胶黏剂（或被粘物）发生形变，会消耗能量，从而使粘接件强度表现得更高。5 弱边界层理论 弱边界理论（WBL)认为粘接体系由于工艺上或结构上的原因，存在着这种或那种较弱的结合处，即内聚强度较低的部位。当粘接件
8、受到外力作用发生破坏时，由于材料界面处存在较低的内聚强度，所以一般都会在低于它们预期强度的情况下断裂，这些内聚强度较低的物质就构成了“弱边界层”。6 化学键理论 化学键理论认为：胶黏剂与被粘接物表面产生化学反应而在界面上形成化学键结合而把两者牢固地连接起来。化学键理论是以胶黏剂分子和粘合表面的电子、质子相互作用为基础。化学键力包括：离子键力、共价键力、配位键力 小结 以上是近年来提出的几种粘接理论，虽然每一种理论都有一定的事实根据，但又与另一些事实发生矛盾。实际上，粘接界面上存在着多种现象，往往是需要几种理论的配合，而并非一种或两种理论单独可以解释的，因此，在讨论粘接理论时，要注意几种粘接理论
9、的结合。三 粘接接头的设计v粘接接头设计的原则v粘接接头的设计形式粘接接头：当两个物体用胶黏剂粘接时，被粘接的部分称为粘接接头，它是由被粘接物和夹在其间的胶层所构成的，起着传承力的作用。1 粘接接头设计的原则充分考虑受力形式 一般情况下，粘接接头的拉伸强度、剪切强度和压缩强度比较高，而剥离、弯曲、劈裂强度相对比较低，因此，在粘接接头结构设计时应尽量使胶层承受拉伸和剪切负载，或者设法将其他形式的力转换为能够承受剪切力或拉伸力。增大有效粘接面积 在条件允许的情况下，增大粘接面积能够有效提高胶层承受载荷的能力，尤其是对提高结构粘接的可靠性更是一种有效的途径。例如：修补裂纹时开V形槽、加固时的补块等都
10、是增加粘接面积的有效途径尽量避免应力集中 基材、胶黏剂与被粘接物弹性模量的不同、粘接部位胶黏剂分布不均匀以及在使用过程中所受外力的不均匀都是引起应力集中的原因之一。实用的解决办法：各种局部的加强 例如：剥离和劈裂破坏通常是从胶层边缘开 始，这样就可以在边缘处采取局部加强或改变胶缝位置的设计来达到减少应力集中的目的。注意材料的合理配置 粘接热膨胀系数相差较大的材料时，温度的变化会在界面上产生热应力和内应力，从而导致粘接强度下降。如在粘接不同热膨胀系数的圆管时，若配置不当就可能自行开裂。一般将膨胀系数小的圆管套在热膨胀系数大的圆管的外面。对于木材或层压制品的粘接还要防止层间剥离。保持胶层均匀连续
11、接头结构的设计：保证胶黏剂形成厚度适当、连续均匀的胶层 不包囊空气，易排出挥发物。为胶黏剂固化时收缩留有必要的自由度，以减小内应力。6 施工方便简洁 粘接接头的结构设计要根据施工现场的实际情况，考虑施工的方便性，如涂液、叠合、加压、加热固化等操作都能容易进行。2 粘接接头的设计形式v 常用的接头形式主要有：对接 斜接 搭接 套接 嵌接 角接 T接 四 影响粘接强度的因素v胶黏剂的影响v表面性能对粘接的影响v接头设计的影响v粘结工艺的影响1 胶黏剂的影响胶料结构的影响 含有-NHCOO-、-CN-、-COOH、-CONH-、-CL、-COOC-等基团的胶料所配制的胶黏剂，由于含有极性基团，因此既
12、具有很高的内聚强度，又有很强的粘接力，对提高粘结强度极为有利。含有苯环和杂环的胶料，因柔顺性差、空间位阻大，影响分子的扩散，因而粘接力降低。胶料分子量的影响 胶料的分子量低，粘度小，流动性大，易于润湿，便于粘接，但因内聚力小，粘接强度低；若分子量很大时，内聚力更大，也不利于获得高的粘接强度。只有中等分子量的胶料才比较合适。增塑剂的影响v加入增塑剂可以提高胶料分子的扩散能力，增加粘接力，有利于粘接。v增塑剂用量过大，会降低内聚强度，同时，低分子物过多，也会降低粘接力而导致粘接强度下降。填充剂的影响v在一定用量范围内剪切强度随填充剂量的增加而提高，但剥离强度却会受到影响。溶剂的影响 溶剂型胶黏剂的溶剂要有很好的溶解性，否则容易出现分层、离析、结块、凝胶等缺陷贮存期的影响 胶黏剂在贮存的过程中，会缓慢的发生自聚等而导致粘接力随着贮存时间的延长而有所下降。2 表面性能对粘接的影响表面结构的影响表面能的影响 液体具有与表面有关的额外能量称为表面能。粘接过程中，固体表面自由能大对粘接有利。表面活性的影响表面清洁度的影响 经化学或物理方法处理后的表面放在空气中常常吸附有水分、尘埃、油污和氧化物等被污染，导致胶黏剂的粘接强度和耐久性降低。
