胶接理论-2

• 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。
（2）润湿
• 高能表面的临界表面张力γc >胶粘剂 的γLV ，容易铺展润湿；低能表面的 γc < 一般胶粘剂的γLV ，所以不易铺
（2）润湿
➢ 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 体技术对被黏物进行表面改性，才能 进行粘接。
（3）界面扩散
• 胶粘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。
2. 胶接接头
（1）定义
➢胶接接头：被胶接材料通过胶粘剂 进行连接的部位。
2. 胶接接头
（1）定义
➢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：
2. 胶接接头
（2）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. 形成胶接的条件
（4）形成胶接键
➢ 当胶粘剂固化或硬化后，生成的胶 接键即被固定下来而保有强度。
（4）形成胶接键
➢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。
（4）形成胶接键
➢其次，胶粘剂与被粘物界面上，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。
σ a ≈ 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Z0和Wa值更要大得多，即
使如此， 计算出来的理想胶接强度
σ a，也要比实际胶接强度大两个数
量级以上。
2. 形成胶接的条件
（1）胶接的基本过程 B. 实际的胶接
➢实际的胶接，大多数都要使用胶粘 剂，才能使两个固体通过表面结合 起来。
3. 影响胶接作用的因素
（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。
（3）界面扩散
利用胶粘剂粘接金属，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。
（3）界面扩散
不但金属分子不能发生扩散作用，就 是胶粘剂的分子也不可能扩散到金属 相里面去，所以，胶粘剂粘接金属形 成的界面是很清晰的。
2. 形成胶接的条件
（1）胶接的基本过程
A. 理想的胶接
两个表面产生的相互作用，达到一定程 度而形成胶接键，胶接键可能是次价键 或主价键，最后达到热力学平衡的状态。
A. 理想的胶接
• 理想的胶接，因为是从理想状态出发 的，没有考虑一系列可能影响胶接强 度的实际因素，所以实际是不存在的， 但可以在一些假定的前提下将理想胶 接的强度计算出来。
不润湿 部分润湿（临界） 完全润湿
（2）润湿
判断润湿性可用接触角来衡量，这可用 Young方程来表示：
SV = LV cos + SL （1）
SV = LV cos + SL （1）
θ：接触角，也称为润湿角； γSV：固气界面张力； γLV：液气界面张力；γSL：固液界面张力。
此式应处于热力学平衡状态才有意义。
（3）受力分析
➢接头胶层在外力作用时，有四种受力 情况：
（a）正拉
拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀 分布于整个胶接面。
（3）受力分析
（b）剪切
剪切力：外力与胶接面平行，且均匀 分布于胶接面上。
（3）受力分析
（c）剥离
剥离力：外力与胶接面成一定角度， 并集中分布在胶接面的某一线上。
（3）受力分析
（1）胶接的基本过程 B. 实际的胶接
➢当界面与胶黏剂分子紧密接触后， 胶粘剂分子通过自身的运动，建立 起最合适的构型，胶黏剂分子与界 面达到吸附平衡。
B. 实际的胶接
➢随后，胶粘剂分子对被粘物表面进行 跨越界面的扩散作用，形成扩散界面 区。
➢对高分子被粘物而言，这种扩散是相 互进行的。
B. 实际的胶接
（3）界面扩散
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 胶粘剂分子的扩散、渗透或相互咬合， 有可能提高胶接强度。
（3）界面扩散
另外，选择强极性的或能与金属表面产 生化学键的胶粘剂，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。
B. 实际的胶接
➢当聚合物处于橡胶态温度以上时(未 达熔融态)，利用加压使两块处于橡 胶态的聚合物紧密接触；
B. 实际的胶接
➢两块紧密接触的聚合物，通过界面 上分子间的扩散，生成物理结点或 分子相互作用引力，这时不需要胶 粘剂也可能使聚合物胶接起来。
B. 实际的胶接
不过，由于所需要的压力大，时间 长，又要消耗热能，而且有许多降 低胶接力的影响因素并未排除，使 分子间不易达到紧密接触，得到的 胶接强度并不理想。
可从以下几种方式来判断润湿：
（1）从接触角(润湿角)来判断 习惯上将液体在固体表面的接触角
θ = 90º时定为润湿与否的分界点。 θ ＞90º 为不润湿，θ ＜90º为润湿，
接触角θ 越小，润湿性能越好。
(2) 由Dupre'胶接功的方程式判断润湿
Wa =γSV + γLV - γSL （2）
Wa：胶接功，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。
γSV 、γLV 两种表面张力测试麻烦，将
式( 1 )代入式( 2 )中得：
Wa = γLV (1 + cosθ )
此式称为Young-Dupre’方程，θ 越小，Wa 越大，润湿性越好。
(3)用铺展系数来判断润湿
铺展系数：
S =γSV - γSL -γLV
A. 理想的胶接
• 一般，理想的胶接强度比实际的胶接 强度要大几个数量级，理想的胶接有 理论意义，有利于分析理解胶接的机 理，对实际的胶接过程有重要的指导 意义。
A. 理想的胶接
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 存在任何相互作用时，所消耗的能量即 为粘合能，也就是胶接力。
（3）界面扩散
• 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。
（3）界面扩散
• 若胶粘剂与高分子材料被粘物的相 容性不好，或润湿性不良，则胶粘 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。
（3）界面扩散
• 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。
（d）劈开
劈裂力（不均匀扯离力）：外力垂直于 胶接面，但不均匀分布在整个胶接面上。
（3）受力分析
➢为了分析方便，上述四种应力尚可 简化为拉应力和剪切力两类。
➢拉应力包括均匀扯离（正拉）力， 不均匀扯离（劈裂）力和剥离力。
2. 形成胶接的条件
（1）胶接的基本过程
A. 理想的胶接
理想的胶接是当两个表面彼此紧密接 触之后，分子间产生相互作用；
2. 形成胶接的条件
（2）润湿
➢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。
（2）润湿
➢为此，一般要将被胶接体表面的空 气、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。
（2）润湿
➢胶粘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，胶粘 剂应当在被粘物表面产生润湿，能 自动铺展到被粘物）润湿
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。
（2）润湿
此外，表面未润湿的微细孔穴，粘接时 未排尽空气或胶粘剂带入的空气泡，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。
（2）润湿
➢气液接触时的三种状态
展润湿。
（2）润湿
• 临界表面张力γc较大的被粘物，选择
比被粘物γc小的胶粘剂比较容易，有 较多的胶粘剂品种可供选择；γc 越小，
则越不容易选择能有效润湿的胶粘剂。
➢例如，聚四氟乙烯(PTFE)的γc只有19
mN／m，很不容易找到表面张力比 这还小的胶粘剂，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。
2. 胶接接头
（2）基本形式
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。
2. 胶接接头
（2）基本形式
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。
2. 胶接接头
（2）基本形式
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。
单位面积上所需的胶接力，称为理想
胶接强度，以σ a表示：
a 16 Wa
9(3)1/ 2 Z 0
➢ Z0：两相达到平衡时的距离； ➢ Wa：胶接功。
大多数聚合物的分子相互作用，只存
在色散力，一般Z0 = 0.2 nm， Wa =