1 胶接基础解析

在大多数聚合物的分子相互作用，只存在色 散力的情况下，一般Z0 = 0.2 nm， Wa =10-5J／cm2，于是 σa ≈ 1500 MPa 如果分子相互作用力不仅是色散力，还有氢 键力，诱导力甚至化学键力的话，则值更要 大得多。即使如此，这一计算出来的理想胶 接胶接强度，也要比实际胶接强度大两个数 量级以上。
化学反应型胶黏剂则是在一定的温度(通常 是升温)下，通过内部产生聚合或缩聚反应而 固化。
1.4.2
粘度
粘度是表示液体内摩擦力大小的一个参数。
无论哪一种类型的胶黏剂，在使用的时候， 均要保持较小的粘度，以利于润湿、铺展和 均匀地分布到被粘物表面；同时还要求胶黏 剂有较小的表面张力，才可能有较好的润湿 效果，自发地铺展于凹凸不平的基体表面上， 形成良好的分子接触。
在温度和压力不发生变化的前提下，把两个已经胶 接起来的相，从平衡状态可逆地分开到无穷远，彼 此的分子不再存在任何相互作用的影响时，所消耗 的能即为粘合能，也就是胶接力。单位面积上所需 的胶接力，称为理想胶接强度，以σa表示：
16 Wa 1/ 2 Z0 9(3)
a
式中：Z0是两相达到平衡时的距离；Wa为胶接功。
判断润湿性可用接触角来衡量，这可用Young
（高斯）方程来表示：
SV = LV cos + SL
（1 ）
式中，θ为接触角，也称为润湿角；γSV为固气界 面张力；γLV为液气界面张力；γSL为固液界面张 力。 此式应处于热力学平衡状态才有意义。
可从以下几种方式来判断润湿：
（1）从接触角(润湿角)来判断
这就要求要选择能起良好润湿效果的胶黏剂。 同时，也要求被粘物表面事先要进行必要的 清洁和表面处理，达到最宜润湿与胶接的表 面状态。要尽量避免润湿不良的情况。
如果被粘物表面出现润湿不良的界面缺陷， 则在缺陷的周围就会发生应力集中的局部受 力状态；此外，表面未润湿的微细孔穴，粘 接时未排尽或胶黏剂带入的空气泡，以及材 料局部的不均匀性，都可能引起润湿不良的 界面缺陷，这些都应尽量排除。
对高分子被粘物而言，这种扩散是相互进行的； 金属或无机物由于受结晶结构的约束，分子较 难运动，但胶黏剂在硬化前，分子可以扩散到 表面氧化层的微孔中去，达到分子的紧密接触， 最后仍能形成以次价力为主的或化学键的胶接 键。这就是胶接的基本过程。全过程的关键作 用是润湿、扩散和形成胶接键。
1.3.2 润湿
Wa = γLV(1 + cosθ)
此式称为Young-Dupre‘方程，θ越小，Wa越大。
(3)用铺展系数来判断润湿 铺展系数为： S =γSV - γSL -γLV 当S = 0，表示可能发生液体在固体表面上自 动铺展，即能润湿； S > 0，必然发生铺展，即润湿性好； S < 0，不能铺展，即不润湿。
1.3.4 形成胶接键
利用胶黏剂粘接被粘物，最终的目的是形成具 有一定强度能满足使用要求的胶接接头。润湿 和扩散是胶接过程中出现的现象，其质量直接 影响胶接键的强度。
胶黏剂润湿被粘物并发生扩散，在界面上两种 分子间产生相互作用，当分子间的距离达到分 子作用半径的0.5nm以下时，会生成物理吸附 键，即次价键。如表面发生化学吸咐，则生成 化学键。
1.4 影 响 胶 接 作 用 的 因 素
1.4.1 胶黏剂的作用
绝大多数固体表面，从微观的尺度来看，是凹凸不 平的，将这样的表面迭合起来，只有很小的点面能 相互接触，大部分的表面都不能接触。因此分子的 总吸引力很小，很容易被分开。胶黏剂作用的目的 之一，就在于可将不规则的粗糙表面填补起来，使 两个接触不良的表面，通过胶黏剂产生高度的分子 接触，提高胶接强度。
1.1 概述 1.2 胶接接头 1.3 形成胶接的条件 1.4 影 响 胶 接 作 用 的 因 素 1.5 胶 接 理 论
1.1.1 胶粘剂
通过粘附作用，能使被胶合物体紧密结合在一起的 物质，就叫胶粘剂。粘附作用就是指要胶合的两个 面依靠物理和化学力胶合所产生的作用。
1.1 概述
1.1.2 木材胶合理论
被胶接材料通过胶黏剂进行连接的部位。 胶接接头的结构形式很多。从接头的使用功能、 受力情况出发，有以下几种基本形式。
1.2.1 胶接接头的基本形式
（1）搭接接头（lap
joint）：
由两个被胶接部分的叠合， 胶接在一起所形成的接头。
(2) 面接接头（surface joint）
两个被胶接物主表面胶接在一起 所形成的接头。
（1）分子量
液体的粘度是由于液体的分子之间受到运 动的影响而产生内摩擦阻力的表现。它除 了受溶液浓度的影响以外，主要受分子量 的影响：
[ ] K M
K、a为两个与体系有关的常数。
a
式中，[η]为高分子溶液的特性粘度；Mη为平均分子量；
（2）溶剂
一般来说，同一高分子在良溶剂中的黏度，要比在 不良溶剂中的高一些。
1.3.3 界面扩散
胶黏剂分子或分子链段与处于熔融或表面溶胀状态 的被粘聚合物表面接触时，分子之间会产生相互跨 越界面的扩散，界面会变成模糊的弥散状，两种分 子也可能产生互穿的缠绕。这时，虽然分子间只有 色散力的相互作用，也有可能达到相当高的胶接强度。
若胶黏剂与高分子材料被粘物的相容性不好，或润 湿性不良，则胶黏剂分子因受到斥力作用，链段不 可能发生深度扩散，只在浅层有少许扩散，这时界 面的轮廓显得分明。只靠分子色散力的吸引作用结 合的界面，在外力作用下，容易发生滑动，所以胶 接强度不会很高。
在开始施加胶黏剂的时候，胶黏剂应当具有 较好的流动性和润湿性，这样才能对固体表 面产生良好的润湿铺展，起到填充凹凸不平 表面的作用。然后，胶黏剂又应当能够向界 面扩散，并在恰当的时间发生固化或硬化， 具有较高的内聚强度，能经受较大的外力作 用。
不同的胶黏剂品种，有各种不同的固化或硬化方式。
溶剂型胶黏剂是通过溶剂的蒸发或扩散、渗 透而固化。 热熔型胶黏剂是通过降低温度而固化。
为形成良好的胶接，首先要求胶粘剂分子和被胶接 材分子充分接触。为此，一般要将被胶接体表面的 空气、或者水蒸气等气体排除，使胶粘剂液体和被 胶接材接触。即将气—固界面转换成液—固界面， 这种现象叫做润湿，其润湿能力叫做润湿性。 胶黏剂在涂胶阶段应当具有较好的流动性，而且其 表面张力应小于被粘物的表面张力。这意味着，胶 黏剂应当在被粘物表面产生润湿，能自动铺展到被 粘物表面上。 当被粘物表面存在凹凸不平和峰谷的粗糙表面形貌 时，能因胶黏剂的润湿和铺展，起填平峰谷的作用， 使两个被粘物表面通过胶黏剂而大面积接触，并达 到产生分子作用力的0.5 nm以下的近程距离。
临界表面张力γc较大的被粘物，选择比被粘物γc小 的胶黏剂比较容易，有较多的胶黏剂品种可供选择。 但γc 越小，则越不容易选择能有效润湿的胶黏剂。 例如，聚四氟乙烯(PTFE)的γc只有19mN／m，很不 容易找到表面张力比这还小的胶黏剂，所以PTFE具 有难粘的特性，利用这一特性，将PTFE热喷涂于锅 面，就可以制成不粘锅。 要想粘接PTFE，只有利用钠-萘溶液进行化学处理 或利用低温等离子体进行处理使表面改性，才能进 行粘接。
习惯上将液体在固体表面的接触角θ= 90°时 定为润湿与否的分界点。
θ＞90°º 为不润湿，θ＜90°º为润湿，接 触角θ越小，润湿性能越好。
(2) 由Dupre'胶接功的方程式V - γSL
（2）
式中Wa为胶接功，是表征胶接性能的热力学参数。
一般Wa值越大，胶接力也越大，润湿性越好。 因为γSV 、γLV 两种表面张力测试麻烦，将式( 1 ) 代入式( 2 )中得：
扩散理论通过渗透到被胶合物体内的胶粘剂与该物
化学键胶合理论（化学吸附） 电胶合理论
1.1.3 胶粘剂应具备的条件
（1）胶粘剂应具有适当的湿润性
湿润性是指固体对液体的亲和性；亲和性是 指液体在固体表面发生扩散、渗透的现象。 （2）胶粘剂的分子量 （3）胶粘剂的pH值
（4）胶粘剂的极性
1.2 胶接接头
当胶黏剂固化或硬化后，生成的胶接键即被固定下 来而保有强度。要获得高强度的胶接接头，首先必 要的条件是在界面处要能建立分子级的紧密接触， 分子的距离一般应小于0.5nm。否则界面作用力太 小，不能承受稍大的应力。
其次，胶黏剂与被粘物界面上，最好能通过分子 的扩散作用，形成分子间的缠结，这有利于提高 强度。为提高胶接强度，还必须掌握影响强度的一 系列因素，并加以控制。
由此可知，θ 值尽可能小，Wa 和S尽可能大，则胶 黏剂对被粘物的润湿性好，有利于提高胶接强度。
Zisman将固体表面分为高能表面和低能表面。 凡表面能>200mN／m2为高能表面，金属、 金属氧化物和无机化合物的表面，都是高能 表面；表面能<100mN／m2为低能表面，有 机化合物、聚合物和水都属低能表面。高能 表面的临界表面张力γc >胶黏剂的γLV ，容 易铺展润湿；低能表面的γc < 一般胶黏剂的 γLV ，所以不易铺展润湿。
(3) 对接接头（butt joint）
被胶接物的两个端面与被 胶接物主表面垂直。
(4) 角接接头（angle joint）
两被胶接物的主表面端部 形成一定角度的胶接接头。
1.2.2 接头胶层的受力情况
接头胶层在外力作用时，有四种受力情况。
（a）正拉
（b）剪切
（c）剥离
（d）劈开
①拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀分布 于整个胶接面。
利用胶黏剂粘接金属，由于金属分子是以金属键紧 密结合起来的，分子的位置固定不变，而且金属分子 排列规整，有序性高，大多数能生成晶体构造，密度 大而结构致密，不但金属分子不能发生扩散作用，就 是胶黏剂的分子也不可能扩散到金属相里面去。所以， 胶黏剂粘接金属形成的界面是很清晰的。
若对金属表面进行改性，除去松散的氧化层、污染 层，并使之生成疏松多孔状表面，或增加表面的粗糙 度，会有利于胶黏剂分子的扩散、渗透或相互咬合， 有可能提高胶接强度。另外，选择强极性的或能与金 属表面产生化学键的胶黏剂，也能提高胶接强度。借 助偶联剂的作用，也是提高胶接强度的有效方法。