膠粘劑粘接機(jī)理及粘接技術(shù)

關(guān)于膠粘劑粘接機(jī)理及粘接技術(shù)7.1粘接機(jī)理7.1.1界面接觸與粘接

理想的粘接強(qiáng)度，必需條件：緊密接觸液體的接觸角為0或接近0；黏度低，即不得大于幾毫帕秒；能驅(qū)除被粘物接頭間所夾空氣。第2頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天使用膠黏劑，在粘接過程中，由于膠黏劑的流動(dòng)性和較小的表面張力，對(duì)被粘物表面產(chǎn)生潤(rùn)濕作用，使界面分子緊密接觸，膠黏劑分子通過自身的運(yùn)動(dòng)，建立起最合適的構(gòu)型，達(dá)到吸附平衡。隨后，膠黏劑分子對(duì)被粘物表面進(jìn)行跨越界面的擴(kuò)散作用，形成擴(kuò)散界面區(qū)。第3頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天對(duì)高分子被粘物而言，這種擴(kuò)散是相互進(jìn)行的；金屬或無(wú)機(jī)物由于受結(jié)晶結(jié)構(gòu)的約束，分子較難運(yùn)動(dòng)，但膠黏劑在硬化前，分子可以擴(kuò)散到表面氧化層的微孔中去，達(dá)到分子的緊密接觸，最后仍能形成以次價(jià)力為主的或化學(xué)鍵的粘接鍵。這就是粘接的基本過程。全過程的關(guān)鍵作用是潤(rùn)濕、擴(kuò)散和形成粘接鍵。第4頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天1、浸潤(rùn)平衡為形成良好的粘接，首先要求膠粘劑分子和被粘接材分子充分接觸。為此，一般要將被粘接體表面的空氣、或者水蒸氣等氣體排除，使膠粘劑液體和被粘接材接觸。即將氣—固界面轉(zhuǎn)換成液—固界面，這種現(xiàn)象叫做潤(rùn)濕，其潤(rùn)濕能力叫做潤(rùn)濕性。

第5頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天膠黏劑在涂膠階段應(yīng)當(dāng)具有較好的流動(dòng)性，而且其表面張力應(yīng)小于被粘物的表面張力。這意味著，膠黏劑應(yīng)當(dāng)在被粘物表面產(chǎn)生潤(rùn)濕，能自動(dòng)鋪展到被粘物表面上。當(dāng)被粘物表面存在凹凸不平和峰谷的粗糙表面形貌時(shí)，能因膠黏劑的潤(rùn)濕和鋪展，起填平峰谷的作用，使兩個(gè)被粘物表面通過膠黏劑而大面積接觸，并達(dá)到產(chǎn)生分子作用力的0.5nm以下的近程距離。第6頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天第7頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天第8頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天

這就要求要選擇能起良好潤(rùn)濕效果的膠黏劑。同時(shí)，也要求被粘物表面事先要進(jìn)行必要的清潔和表面處理，達(dá)到最宜潤(rùn)濕與粘接的表面狀態(tài)。要盡量避免潤(rùn)濕不良的情況。如果被粘物表面出現(xiàn)潤(rùn)濕不良的界面缺陷，則在缺陷的周圍就會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中的局部受力狀態(tài)；此外，表面未潤(rùn)濕的微細(xì)孔穴，粘接時(shí)未排盡或膠黏劑帶入的空氣泡，以及材料局部的不均勻性，都可能引起潤(rùn)濕不良的界面缺陷，這些都應(yīng)盡量排除。第9頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天粘接失敗的原因?

壓敏膠與底材不匹配

表面平整度表面污染脫模劑

塵埃

增塑劑遷移軟質(zhì)聚氯乙烯橡膠養(yǎng)護(hù)時(shí)間施工壓力施工環(huán)境溫度

onpolyethylenesurfaceWaterDropSubstrateWaterDroponcleanmetalsurfaceSubstrate粗糙的表面TexturedSurface第10頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天判斷潤(rùn)濕性可用接觸角來(lái)衡量，可用Young方程來(lái)表示：

SV=

LV

cos

+

SL式中，θ為接觸角，也稱為潤(rùn)濕角；γSV為固氣界面張力；γLV為液氣界面張力；γSL為固液界面張力。此式應(yīng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)才有意義。

SL

SV

LV液滴圖1—1液體在固體表面上的浸潤(rùn)狀態(tài)第11頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天可從接觸角(潤(rùn)濕角)判斷潤(rùn)濕：習(xí)慣上將液體在固體表面的接觸角θ=90o時(shí)定為潤(rùn)濕與否的分界點(diǎn)。

θ＞90o為不潤(rùn)濕，θ＜90o為潤(rùn)濕，接觸角θ越小，潤(rùn)濕性能越好。第12頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天Zisman將固體表面分為高能表面和低能表面。凡表面能>200mN／m為高能表面，金屬、金屬氧化物和無(wú)機(jī)化合物的表面，都是高能表面，表面能<100mN／m為低能表面，有機(jī)化合物、聚合物和水都屬低能表面。高能表面的臨界表面張力γc

>膠黏劑的γLV，容易鋪展?jié)櫇?；低能表面的γc

<一般膠黏劑的γLV，所以不易鋪展?jié)櫇瘛?、表面及界面自由能第13頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天臨界表面張力γc較大的被粘物，選擇比被粘物γc小的膠黏劑比較容易，有較多的膠黏劑品種可供選擇。但γc越小，則越不容易選擇能有效潤(rùn)濕的膠黏劑。例如，聚四氟乙烯(PTFE)的γc只有19mN／m，很不容易找到表面張力比這還小的膠黏劑，所以PTFE具有難粘的特性，利用這一特性，將PTFE熱噴涂于鍋面，就可以制成不粘鍋。要想粘接PTFE，只有利用鈉-萘溶液進(jìn)行化學(xué)處理或利用低溫等離子體進(jìn)行處理使表面改性，才能進(jìn)行粘接。第14頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天

通常金屬、玻璃、陶瓷、（木材）等無(wú)機(jī)物表面張力很大，容易被膠粘劑濕潤(rùn)，粘接容易。但當(dāng)其表面被油污染后，表面張力變小，濕潤(rùn)變差，常使粘接失敗，這就是涂膠前進(jìn)行脫脂處理的原因。第15頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天A、表面清理除雜、除污、脫漆等。B、脫除油脂1、溶劑除油：常用溶劑：丙酮、甲乙酮、汽油、無(wú)水乙醇；四氯化碳、三氯乙烯、過氯乙烯等2、堿液除油：特點(diǎn)：主要用于動(dòng)植物油的去除，但除礦物油效果差，常需配制堿液清洗劑。第16頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天堿液除油清洗劑配方：

配方鋼鐵銅及其合金鋁及其合金氫氧化鈉：50-60g/L——

碳酸鈉：50-60g/L10-20g/L—

磷酸鈉：86-100g/L10-20g/L10-30g/L

硅酸鈉：10-15g/L25g/L3-5g/LOP乳化劑：—2-3g/L2-3g/L

處理?xiàng)l件：80℃/30min70℃/30min50℃/10min第17頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天3、超聲波除油

適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。C、除銹1、機(jī)械法：2、化學(xué)法：

硫酸+緩蝕劑（硫脲、聯(lián)苯胺、食鹽等）

鹽酸+緩蝕劑（六次甲基次胺、甲醛等）第18頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天D、表面化學(xué)處理1、金屬的表面活化或鈍化

2、難粘材料的表面活化PE/PP:配方：重鉻酸鉀（5份）+濃硫酸（60份）+水（3份）處理?xiàng)l件：60-70℃/10-20minPTFE:配方：金屬鈉（23g）

+精萘（128g）

+四氫呋喃（1000ml）處理?xiàng)l件：室溫，1-5min。第19頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天針對(duì)不同的表面污染采用不同的清潔劑：表面清潔

污染類型

清潔劑指紋 異丙醇（IPA）水汽 異丙醇（IPA）油、脂 庚烷（Heptane）重度油污丁酮（MEK）脫模劑向制造商咨詢注意：對(duì)于塑料基材，進(jìn)行合適的清潔非常重要！第20頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天3界面擴(kuò)散

膠黏劑分子或分子鏈段與處于熔融或表面溶脹狀態(tài)的被粘聚合物表面接觸時(shí)，分子之間會(huì)產(chǎn)生相互跨越界面的擴(kuò)散，界面會(huì)變成模糊的彌散狀，兩種分子也可能產(chǎn)生互穿的纏繞。這時(shí)，雖然分子間只有色散力的相互作用，也有可能達(dá)到相當(dāng)高的粘接強(qiáng)度。第21頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天若膠黏劑與高分子材料被粘物的相容性不好，或潤(rùn)濕性不良，則膠黏劑分子因受到斥力作用，鏈段不可能發(fā)生深度擴(kuò)散，只在淺層有少許擴(kuò)散，這時(shí)界面的輪廓顯得分明。只靠分子色散力的吸引作用結(jié)合的界面，在外力作用下，容易發(fā)生滑動(dòng)，所以粘接強(qiáng)度不會(huì)很高。第22頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天利用膠黏劑粘接金屬，由于金屬分子是以金屬鍵緊密結(jié)合起來(lái)的，分子的位置固定不變，而且金屬分子排列規(guī)整，有序性高，大多數(shù)能生成晶體構(gòu)造，密度大而結(jié)構(gòu)致密，不但金屬分子不能發(fā)生擴(kuò)散作用，就是膠黏劑的分子也不可能擴(kuò)散到金屬相里面去。所以，膠黏劑粘接金屬形成的界面是很清晰的。第23頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天若對(duì)金屬表面進(jìn)行改性，除去松散的氧化層、污染層，并使之生成疏松多孔狀表面，或增加表面的粗糙度，會(huì)有利于膠黏劑分子的擴(kuò)散、滲透或相互咬合，有可能提高膠接強(qiáng)度。另外，選擇強(qiáng)極性的或能與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)鍵的膠黏劑，也能提高粘接強(qiáng)度。借助偶聯(lián)劑的作用，也是提高粘接強(qiáng)度的有效方法。第24頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天7.1.2粘接理論了解粘接理論，可以從理論上指導(dǎo)膠黏劑選擇，粘接接頭的設(shè)計(jì)，制定最佳的粘接工藝，控制影響粘接強(qiáng)度的各種因素，達(dá)到形成強(qiáng)力粘接接頭的目的。機(jī)械互鎖理論擴(kuò)散理論吸附理論電子理論第25頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天1機(jī)械互鎖理論結(jié)論在不平的被粘物表面形成機(jī)械互鎖力（膠釘）產(chǎn)生膠接力；膠釘越多，膠粘劑滲透得越深，孔隙填充得越滿，膠接強(qiáng)度就越高。對(duì)多孔性材料的膠接貢獻(xiàn)顯著，但對(duì)非孔性材料的膠接貢獻(xiàn)不顯著形成膠釘?shù)年P(guān)鍵：液體（流動(dòng)性）；足夠的固體含量局限性：不能解釋許多膠接現(xiàn)象，如孔隙多（表面粗糙）的木材的膠接強(qiáng)度比孔隙少（表面致密）的木材的膠接強(qiáng)度低第26頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天2吸附理論固體表面由于范德華力的作用能吸附液體和氣體，這種作用即為物理吸附。而它是膠粘劑與被膠接材料間牢固結(jié)合的普遍性原因。擴(kuò)散：液體膠粘劑分子，借助于布朗運(yùn)動(dòng)向被膠接材料表面擴(kuò)散，使二者所有的極性基團(tuán)或鏈節(jié)相互靠近。加強(qiáng)布朗運(yùn)動(dòng)的措施有：升溫、加壓、降低粘度等。吸附力的產(chǎn)生：當(dāng)分子間距<0.5nm時(shí)，兩種分子便產(chǎn)生吸附作用，并使分子間距進(jìn)一步縮短，達(dá)到能處于最大穩(wěn)定狀態(tài)的距離，從而完成膠接作用。結(jié)論第27頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天范德華力偶極力：極性分子間的引力，即偶極距間的相互作用力。式中：——偶極矩R——距離；T——絕對(duì)溫度K——波爾茲曼常數(shù)誘導(dǎo)偶極力：由于受到極性分子電場(chǎng)的作用而產(chǎn)生的。式中：——分子極化率；——偶極矩（永久，誘導(dǎo)）色散力：非極性分子間的作用力。式中：——分子電離能互相抵消在范氏力中起主要作用第28頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天結(jié)論膠粘劑與被膠接材料表面間的距離是產(chǎn)生膠接力的必要條件膠接體系內(nèi)分子接觸區(qū)（界面）的稠密程度是決定膠接強(qiáng)度的主要因素物質(zhì)的極性有利于獲得高膠接強(qiáng)度，但過高會(huì)妨礙濕潤(rùn)過程的進(jìn)行膠粘劑濕潤(rùn)被膠接材料的表面產(chǎn)生物理吸附必要非充分條件高的膠接強(qiáng)度第29頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天把膠接作用主要?dú)w功于分子間的作用力（弱力），不能圓滿解釋膠粘劑與被膠接物之間的膠接力大于膠粘劑本身的強(qiáng)度這一事實(shí)。在測(cè)定膠接強(qiáng)度時(shí)，為克服分子間的力所作的功，應(yīng)當(dāng)與分子間的分離速度無(wú)關(guān)。但事實(shí)上膠接力的大小與剝離速度有關(guān)，吸附理論無(wú)法解釋。理論缺陷第30頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天不能解釋極性的α-氰基丙烯酸酯能膠接非極性的PS等現(xiàn)象；也不能解釋高分子化合物極性過大，膠接強(qiáng)度反而降低的現(xiàn)象；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物當(dāng)分子量超過5000時(shí)，膠接力幾乎消失等現(xiàn)象也不能解釋。許多膠接體系無(wú)法用范氏力解釋，而與酸堿配位作用有關(guān)。例：第31頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天瀝青（酸性）+石灰（堿性）膠接好瀝青（酸性）+花崗巖（酸性）膠接差鈦酸鋇（堿性）+酸性聚合物性能好鈦酸鋇（堿性）+聚碳酸酯（堿性）性能差第32頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天酸堿作用理論Fowkes★被膠接材料與膠粘劑按其電子轉(zhuǎn)移方向劃分為酸性或堿性物質(zhì)；★電子給體或質(zhì)子受體為堿性物質(zhì)，反之則為酸性物質(zhì)；★膠接體系界面的電子轉(zhuǎn)移時(shí)，形成了酸堿配位作用而產(chǎn)生膠接力。第33頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天3擴(kuò)散理論鏈狀分子所組成的膠粘劑，涂刷到被膠接材料的表面，在膠液的作用下表面溶脹或溶解。由于膠粘劑的分子鏈或鏈段的布朗運(yùn)動(dòng)，使分子鏈或鏈段從一個(gè)相進(jìn)到另一個(gè)相中，二者互相交織在一起，使它們之間的界面消失，變成一個(gè)過渡區(qū)（層），最后在過渡區(qū)形成相互穿透的高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而得到很高的膠接強(qiáng)度。溶解度參數(shù)相近擴(kuò)散對(duì)某些膠接制品的剪切強(qiáng)度不高，而剝離強(qiáng)度很高的成功解釋。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過渡區(qū)的形成第34頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天貢獻(xiàn)★線性高分子的膠接體系★輕度交聯(lián)的高分子膠接體系可解釋同種或結(jié)構(gòu)、性能相近的高分子化合物的膠接作用。第35頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天提高擴(kuò)散的措施降低分子量提高接觸時(shí)間提高膠接溫度第36頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天局限★不能解釋金屬和陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)物的膠接現(xiàn)象★無(wú)法解釋聚甲基丙烯酸甲酯（Mw=9萬(wàn)，溶解度參數(shù)=9.24）和聚苯乙烯（Mw=3萬(wàn)，溶解度參數(shù)=9.12）各自以7.5%的溶液共溶于甲苯中，而它們的固相卻互不擴(kuò)散的現(xiàn)象。第37頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天4電子理論（雙電層理論）將被膠接材料和固化的膠粘劑層理想化為電容器，即在膠接接頭中存在雙電層，膠接力主要來(lái)自雙電層的靜電引力。靜電引力的產(chǎn)生是相1電荷場(chǎng)相2電荷場(chǎng)相互作用的結(jié)果。成功地解釋了粘附功與剝離速度有關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)靜電引力（<0.04MPa）對(duì)膠接強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)無(wú)法解釋用炭黑作填料的膠粘劑及導(dǎo)電膠的膠接現(xiàn)象無(wú)法解釋由兩種以上互溶高聚物構(gòu)成的膠接體系的膠接現(xiàn)象不能解釋溫度、濕度及其它因素對(duì)剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響第38頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天☆當(dāng)膠接接頭以極慢的速度剝離時(shí)，電荷可以從極板部分逸出，降低了電荷間的引力，減少了剝離時(shí)消耗的功☆當(dāng)快速剝離時(shí)，電荷沒有足夠的逸出，粘附功偏高解釋了粘附功與剝離速度有關(guān)克服了吸附理論的不足第39頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天5化學(xué)鍵理論膠接作用主要是化學(xué)鍵力作用的結(jié)果；膠粘劑與被粘物分子間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而獲得高強(qiáng)度的主價(jià)鍵結(jié)合，化學(xué)鍵包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵，在膠接體系中主要是前二者?；瘜W(xué)鍵力比分子間力大得多。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵化學(xué)吸附發(fā)生條件第40頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天從粘接接頭被破壞的情況來(lái)分析膠粘劑與被粘表面間形成的薄弱表面層對(duì)粘接強(qiáng)度影響很大，必須盡可能除去弱界面層理論粘接作用與材料、膠粘劑的極性有關(guān)極性材料要用極性膠粘劑粘接非極性材料要用非極性膠粘劑粘接極性理論配位鍵理論粘接時(shí)，微布朗運(yùn)動(dòng)促使膠粘劑分子中帶電荷部分（通常是帶孤對(duì)電子或電子的基團(tuán)，如—OH、—NH2、—CN、—COOH等）與被粘材料（如金屬離子、金屬原子、缺電子鏈節(jié)等)帶相反電荷部分之間形成配價(jià)鍵（距離小于5×10-10m)第41頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天7.2粘接技術(shù)接頭設(shè)計(jì)膠粘劑選擇工藝方法表面處理膠接強(qiáng)度第42頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天7.2.1粘接接頭的設(shè)計(jì)粘接接頭：被粘接材料通過膠黏劑進(jìn)行連接的部位。粘接接頭的結(jié)構(gòu)形式很多。從接頭的使用功能、受力情況出發(fā)，有以下幾種基本形式。第43頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天粘接接頭的基本形式（1）搭接接頭（lapjoint）：由兩個(gè)被粘接部分的疊合，粘接在一起所形成的接頭第44頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天(2)面接接頭（surfacejoint）兩個(gè)被粘接物主表面粘接在一起所形成的接頭

第45頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天(3)對(duì)接接頭（buttjoint）被粘接物的兩個(gè)端面與被粘接物主表面垂直第46頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天(4)角接接頭（anglejoint）兩被粘接物的主表面端部形成一定角度的粘接接頭第47頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天接頭膠層在外力作用時(shí)，有四種受力情況。（a）均勻扯離

（b）剪切

（c）剝離

（d）不均勻扯離第48頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天①拉應(yīng)力：外力與粘接面垂直，且均勻分布于整個(gè)粘接面。②剪切力：外力與粘接面平行，且均勻分布于粘接面上。③剝離力：外力與粘接面成一定角度，并集中分布在膠接面的某一線上。④劈裂力（不均勻扯離力）：外力配置于整個(gè)粘接面，但不均勻分布在整個(gè)粘接面上。應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

第49頁(yè),共57頁(yè),2024年2月25日，星期天為了分析方便，上述四種應(yīng)力尚可簡(jiǎn)化為拉應(yīng)力和剪切力兩類。拉應(yīng)力包括均勻扯離（正拉）力，不均勻扯離（劈裂）力和剝離力