黏合剂 Adhesives

together by chemical or physical force or both, with the
aid of an adhesive (Terry Sellers. Jr, 1985. Plywood and Adhesive Technology, P610)
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（1）一些基本概念
与胶粘剂中的基料起反应。
• 增塑剂：能够增进固化体系塑性、提高胶
粘剂弹性和耐寒性的物质。一般不能与胶 粘剂中的粘料起反应。
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黏合剂的组成
• 偶联剂：使胶粘剂与难胶接材料的表面连
接起来或提高两者间作用力的物质。
• 稀释剂：降低胶粘剂的粘度、增加其渗透
能力、改进工艺性能的物质。分活性和非
活性两种。
• 其它组分：如防老化剂、防腐剂、增粘剂、
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（2）胶接的优缺点
• Disadvantages(缺点)
• • • • • • • • 胶接区域不可见 需表面处理（通常用腐蚀性的化学药品） 较长的固化时间，特别是在温度不高的场合 需固定设备，压力，反应锅、釜 需要温度 严格的过程控制（包括清洁处理） 胶接耐久性对所处环境的依赖性 天然胶粘剂易受到细菌、霉菌、啮齿动物、寄生虫的 侵害 • 环境、健康问题
F k[COOH]
n
F A B[OH ]
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2间的作用力（弱力）， 不能圆满解释胶粘剂与被胶接物之间的胶接力大于 胶粘剂本身的强度这一事实。 • 不能解释极性的α-氰基丙烯酸酯能胶接非极性的PS 等现象；也不能解释高分子化合物极性过大，胶接 强度反应降低的现象；网状结构的高聚物当分子量 超过5000时，胶接力几乎消失等现象也不能解释。 • 许多胶接体系无法用范氏力解释，而与酸碱配位作 用有关。
（永久，诱导）
2
2
色散力：非极性分子 间的作用力。
3 I1 I 2 a1 a2 EL 6 2 I1 I 2 R 式中： I1 , I 2 ——分子 电离能
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③胶接吸附特性实例
• 醋酸乙烯-氯乙烯-顺丁烯二酸共聚物胶接玻 璃时，剥离强度F与-COOH基（羧基）浓度 的关系： • 环氧树脂胶接铝合金时，剪切强度F与环氧 树脂中的-OH基含量之间的关系：
• 粘接/Adhesion≠粘（黏）附/Adherence
• 粘（黏）附/Adherence: The state in which two
surface are held together by interfacial force.
Note—Adherence can be achieved with or
波音727
B-58 Hustler
F-111Aardvark
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汽车工业
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汽车工业
• 应用胶粘剂的特点：工艺简便、性 能可靠、经济高效 • 胶接物体类型：金属、塑料、织物、 玻璃、橡胶等本身或相互之间和涂 漆表面的结构连接、固定和密封 • 种类及数量：大约有25种类型的胶 粘剂适用于汽车的组装，每台典型 的机动车用胶量约9kg
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②范德华力类型
取向力：极性分子间的引力， 即偶极距间的相互作用力。
2 u1 u2 Ek 6 3 R T K
式中：u1 , u2 ——偶极矩 R——距离；T——绝对温度 K——波尔兹曼常数
2
2
诱导力：由于受到极性分 子电场的作用而产生的。
起主要作用
a u a u ED 1 1 6 2 2 R 式中： a1 , a2 ——分子极 化率； u1 , u2 ——偶极矩
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（1）一些基本概念
• 粘接（胶接）：是借助胶粘剂通过表面作用将材料连
接起来的一种方法。
• 粘附（黏附）: 两个表面依靠化学力、物理力或两者 兼而有之的力结合在一起的状态(王恺, 1999. 英汉木 材工业辞典. P4)
• Adhesion: The state in which two surface are held
活性基团 偶联剂
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表面处理
（4）化学键胶接理论
• 活性基团
★活泼氢与-NCO、-COOH及-COCl反应
O R-H + R'NCO R-C-NH-R'
O R-H + R'-COOH R-C-R'
O R-C-R'
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R-H + R'-COCl
（4）化学键胶接理论
• 活性基团
★羟基与-NCO， R
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三、粘接的基本原理
1、胶接的各种理论
（3）扩散理论
①理论要点：链状分子所组成的胶粘剂，涂刷到被胶接材料的表
面，在胶液的作用下表面溶胀或溶解。由于胶粘剂的分子链或链 段的布朗运动，使分子链或链段从一个相进到另一个相中，二者 互相交织在一起，使它们之间的界面消失，变成一个过渡区 （层），最后在过渡区形成相互穿透的高分子网络结构，从而得 到很高的胶接强度。
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电晕放电
等离子体
氧化、阳极化、酸洗
（5）静电胶接理论
①理论要点：将被胶接材料和固化的胶粘剂层理 想化为电容器，即在胶接接头中存在双电层， 胶接力主要来自双电层的静电引力。静电引力 的产生是接触两相电荷场相互作用的结果。
②应用局限性：
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1、黏合剂概述
（４）胶粘剂技术的经济地位
• 国内市场 ☆年增长率：11.6% ☆产量：260万吨，产值：200亿 ☆企业：1800多家 ☆三醛胶：43.5%；其它木材胶：31.2% ☆木材工业：60%-70%；建筑：22%；包装： 6.2%；其它：4% ☆产量居世界第三（2001年260万吨）
CH CH2 ，R-CH2-OH反应 O
O R-O-C-NH-R'
R O CH2 CH R' OH
R-OH + R'-NCO
R-OH + R CH CH2 O
R-OH + R'
CH 2 OH
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R O CH 2
R'
（4）化学键胶接理论
• 偶联剂
★偶联剂：一般含有两类反应基团的物质，其中一类可
与胶粘剂分子发生化学反应；另一类基团或其水解形
具有优良粘接性能的、在一定条件下能使被胶接材 料（adherend）通过表面粘(黏)附作用紧密地胶合 在一起的物质。
• Adhesive: A substance capable of holding materials
together by adhesion. (Terry Sellers. Jr, 1985. Plywood and Adhesive Technology, P610)
黏合剂 Adhesives
第一节
概 述
一、黏合剂及其分类 二、黏合剂的组成 三、粘接的基本原理 四、黏合剂工业历史和发展趋势
一、黏合剂及其分类
1、黏合剂概述
（1）一些基本概念
• “粘”与“黏”的写法 • “粘”两种发音----zhan/nian
• 胶粘剂（Adhesive）：是一类单组分或多组分的、
②提高扩散的措施： ☆降低分子量 ☆提高接触时间 ☆提高胶接温度
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③扩散理论的局限性
• 不能解释金属和陶瓷、玻璃等无机物 的胶接现象 • 无法解释聚甲基丙烯酸甲酯（Mw=9万， 溶解度参数=9.24）和聚苯乙烯（Mw=3 万，溶解度参数=9.12）各自以7.5%的 溶液共溶于甲苯中，而它们的固相却 互不扩散的现象。
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（3）胶接在现代工业中的应用
• 航空、航天(结构胶structural adhesives)
★粘接一架波音747约耗用3700m2胶膜、 431kg聚硫密封胶和23kg硅橡胶密封剂。
波音747
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（3）胶接在现代工业中的应用
★一架B-58“盗贼”(B-58
Hustler)战略轰炸机所用的胶 粘剂约300kg，每架F-111战斗 机用胶约450kg，每架波音727 飞机则需胶2270kg。
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三、粘接的基本原理
1、胶接的各种理论
（4）化学键胶接理论 ①理论要点：胶接作用主要是化学键力作用的结果；胶
粘剂与被粘物分子间产生化学反应而获得高强度的主价 键结合，化学键包括离子键、共价键和金属键，在胶接 体系中主要是前二者。化学键力比分子间力大得多。
②化学吸附发生条件： ☆发生化学反应，形成化学键
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三、粘接的基本原理
1、胶接的各种理论
（2）吸附胶接理论
①理论要点：固体表面由于范德华力的作用能
吸附液体和气体，这种作用即为物理吸附,它是胶
粘剂与被胶接材料间牢固结合的普遍性原因。
☆扩散：液体胶粘剂分子，借助于布朗运动向被胶接材料表面扩散， 使二者所有的极性基团或链节相互靠近。加强布朗运动的措施有： 升温、加压、降低粘度等 ☆吸附力的产生：当分子间距< 5×10-10m时，两种分子便产生吸附 作用，并使分子间距进一步缩短，达到能处于最大稳定状态的距 离，从而完成胶接作用。
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建筑工业 • 结构与装饰
玻璃胶
玻璃胶 卫生洁具安装 管路螺纹密封胶
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建筑工业
• 木材加工业
木材工业基本工艺特征:先分后合
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木材加工业
细木工板
Oriented
定向结构刨花板
strand
board
多层板plywood
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木材加工业
中密度纤维板
(Medium Density Fiber Board)
以上数据是截止2001年的数据。
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２、黏合剂分类
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二、黏合剂的组成
固化剂 稀释剂
基料 促进剂 偶联剂
增塑剂
增韧剂
黏合剂
填料
防腐剂
增稠剂
阻燃剂
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防老剂
黏合剂的组成
• 基料：胶粘剂配方中，使两被胶接物结合在一起时
起主要作用的成分。要求基料具有良好的粘附作用、
湿润性和相容性。 • 固化剂和促进剂：使胶粘剂发生固化（交联）或促 进胶粘剂固化（交联）的物质。 • 填充剂（填料）：降低胶粘剂固化过程中的体积收
• 应力分布均匀，压力承受区域大 • 可胶接厚薄不同、形状不同的材料 • 可胶接同种或不同种材料 • 胶接不同种材料时，可防止电化学腐蚀 （机械接合则不同，如钉子接合） • 抗疲劳和循环载荷 • 外表光滑
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（2）胶接的优缺点
• Advantages(优点)
• 密封胶接可抵抗环境影响 • 热绝缘、电绝缘 • 对金属来说，不会降低其胶接强度 • 较高的强/重比 • 比机械连接快，成本更低
成的基团，可与被粘表面的氧化物或羟基发生化学反 应，从而实现胶粘剂与被胶接表面的化学键连接。
X——可水解基团， 水解后生成羟基并与 被胶接表面的基团发 生反应。 Y——能与胶粘剂发 生反应的基团。
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硅烷及其衍生物 X3Si(CH2)nY
（4）化学键胶接理论
• 表面处理
机械（如砂光）
木材表面 PE塑料表面 塑料、木材表面 金属表面
without the use of an adhesives.
• 用作胶粘剂的物质通常可分为：天然高分子
物质和合成高分子物质
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1、黏合剂概述
• （2）胶接的优缺点
传统机械连接方法 焊接
胶接
不断 取代
铆接 螺栓连接
飞机的蒙皮连接
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各种胶接接头形式
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（2）胶接的优缺点
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（2）胶接的优缺点
• Advantages(优点)
阻聚剂、阻燃剂等。
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三、粘接的基本原理
（1）机械胶接理论
1、胶接的各种理论
通过机械方式（胶钉）产生胶接力；胶钉越多，胶粘 剂渗透得越深，孔隙填充得越满，胶接强度就越高。
表面胶接示 意图
☆应用:对多孔性材料的胶接贡献显著，但对非孔性材料的胶接贡献不显著 ☆形成胶钉的关键:液体（流动性）；足够的固体含量 ☆局限性:不能解释许多胶接现象，如孔隙多（表面粗糙）的木材的 胶接强度比孔隙少（表面致密）的木材的胶接强度低
缩率或赋予胶粘剂某些性能的物质。它有增粘、降
低收缩应力和热应力、补强及其它作用（如降游甲 醛、延长适用期等）。
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固化（交联）
交联反应：在 线型大分子之 间用新的化学 键进行连接， 使之成为三维 网状或体型结 构的反应。
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黏合剂的组成
• 增韧剂：能够增进胶粘剂的抗冲击强度、
伸长率及降低开裂等缺陷的物质。一般可
刨花板
particleboard
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电气/电子工业
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电气/电子工业
散热器
集成电路封装的横截面图
密封剂
导热胶粘剂对 散热器的粘接
硅芯片粘接
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1、黏合剂概述
（４）胶粘剂技术的经济地位
• 世界市场 • 2000年，全世界胶粘剂和密封胶行业的市场 总额达到240亿美元（不包括胶合板和碎料 板使用的大量胶粘剂）； • 市场容量主要集中在北美、欧洲和远东地区； • 1998年，美国的胶粘剂市场份额达到了140 亿$； • 全球胶粘剂市场的增长速度为3-4%。