胶粘剂与涂料之三-木材胶接基础2

腔，又以何种方式形成有效的胶钉后才能最大限
度地左右胶接强度。
胶粘剂如何浸透到木材的内腔是和胶粘剂的
流动特性、木材的表面状态、木材和胶粘剂的浸
润等相关。
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1.2.5.1 胶接过程中的流变学
当时间(t)短时，胶粘剂的 分子量小，粘度也低，故此胶 粘剂充分流动，致使胶粘剂向 木材内腔过度浸透以及胶压挤 出，产生缺胶的可能性高，难 于形成均匀的胶接层，因此胶 接强度低。随着胶粘剂粘度的 升高，胶接强度提高。但是， 当胶粘剂的粘度过高时，胶粘 剂则不能自由流动，也不能向 木材内腔浸透形成有效的胶钉， 故胶接强度下降。
湿润与接触
被胶接体的临界表面张力 胶粘剂的表面张力
胶接功
扩散系数 界面张力
溶解度参数
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1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
与胶粘剂相关的因素
化学结构与组成 分子量及分子量分布
固体含量
粘附力 内聚力 固化方法 表面张力等
流动性
粘弹性 延伸率 固化温度
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1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
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1.2.5.1 胶接过程中的流变学
当粘度为η的牛顿流体浸 入时，其浸入深度z与流体的 表面张力(γLV)、cosθ以及时 间(t)成比例关系，与其η成反
比例关系。
z
d LV cos t 4
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1.2.5.1 胶接过程中的流变学
胶接时若加压，当其加压压力为p时，其浸透深度为：
被粘材料
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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
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胶接接头的基本形式
(3) 对接接头（butt joint）
= S －LV 如果要不小于零，则必须满足S ≥LV。
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铺展系数 的物理意义
同理 L = LV +π，在这里π为吸附于固体表面的气 体膜压力，也可以忽略不计，因此 L = LV 。
= S －L
由上式可知，因此要想获得好的润湿，固体的表面 张力需要大于或者等于液体的表面张力。
SL ── 固/液界面张力； S ── 在真空状态下固体的表面
张力；
π——吸附于固体表面的气体膜压力， 也称吸附自由能。对于聚合物等低表面 能固体，可以忽略不计。
SV SL
液体在固体表面上的浸润状态
Young公式
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1.2.2 固体表面上液体的平衡
因此，对于固体来说，由于对气体吸附能力不强，且气 体的S = SV，则有：
第一章 木材胶接基础-2
2013年10月
Contents
1.1 胶接理论
1.2 胶接界面物理化学
1.3 胶接流变学与胶接破坏 1.4 胶接与木材相关因素
1.5 胶接与胶粘剂相关因素 1.6 胶粘剂的组成
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1.2 胶接界面化学
1.2.1 胶接的主要过程
胶粘剂的液化：因为胶粘剂要浸润到固体的空隙中， 故它必须是可自由改变形状的液体。因此，可用单体
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1.2.5.1 胶接过程中的流变学
浸透深度正比于(l/η)1/2 ， 将(l/η)1/2 作为横坐标，对应于 不同粘度的拉伸胶接强度。可 见两者之间几乎呈正比例关系。 即在此粘度范围内胶粘剂的粘 度越低，可形成多而有效的胶 钉，胶接强度也越高．将试件 的木质部分除去，然后用扫描 电子显徽镜(SEM)观察，确认 了因粘度的不同胶粘剂渗透到 细胞壁等细微部的差异。
如升高温度会使聚合物胶粘剂的内聚强度下降，导致内 聚破坏。降低温度，加快测试速度使界面破坏的可能性 加大。
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1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
与胶粘剂有关
与被粘材料有关
与胶接界面有关 胶接工艺相关的因素
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1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
与界面相关的因素
WA是胶接的热力学指标，通常认为WA越大， 胶接效果越好．当胶粘剂一定，改变被胶接物体， 此时 LV 固定不变，cosθ 只有在 -1～l 之间变化。 即，当 θ=0 时，WA= 2 LV 最大；当 θ=180° 时， 也就是胶粘剂完全不能润湿被胶接物体时，则有 WA= 0。
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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
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接头四种受力情况
（a）正拉
（b）剪切
（c）剥离
（d）劈开
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接头四种受力情况
①拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀分布于整个胶接面。
② 剪切力：外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上。 ③剥离力：外力与胶接面成一定角度，并集中分布在胶
胶接接头 破坏过程
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1.2.5 胶接流变学与胶接破坏
1.2.5.1 胶接过程中的流变学
1.2.5.2 胶接破坏
1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
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1.2.5.1 胶接过程中的流变学
根据胶接的机械结合理论，在胶接木材这类 多孔质类材料时，胶粘剂以多大程度浸透到其内
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1.2.5.2 胶接破坏
胶接接头从微观上看，
在材料上是不连续的，按
照材质的梯度，可以分成 九层。胶接接头在外力与 环境应力的作用下，在应 力集中的部位发生胶接破 坏。单位面积或者单位长 度胶接接头所能够承受的 最大载荷即为胶接强度。
被粘材料 被粘材料表面层 胶粘剂与被粘材料的界面层 受界面影响的胶粘剂层 胶粘剂层 受界面影响的胶粘剂层 胶粘剂与被粘材料的界面层 被粘材料表面层
d LV cos p(d ) 2 2 t z 4
在胶接时η为胶粘剂粘度，而对于非牛顿液体使用对应 其切变速率的表观粘度ηα为好，并且，以上关系式是对应 于圆筒模型的关系式，而对于狭缝或者V形沟槽应将其分 母中的常数4分别用3、8. 4来代替，当加压压力足够大时， 可以忽略界面化学的第一项。
对于有些低活性表面，有时候不会完全浸润，也并不要求胶 粘剂的接触角等于0。 实际上L和cos 是可以通过实验测定，而S 和L的测定 是非常困难的，可通过临界表面张力来解决。
思考：选择胶粘剂的条件？
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1.2.2 固体表面上液体的平衡
在这两种情况 下哪一种对胶 接强度有利? A. 对胶接体完全浸润状态
与胶接材料相关的因素
木材的组织构造
强度 表面张力 纹理纤维方向 早晚材及边心材的物理化学差异 胶接面的吸附污染等
密度
含水率 表面粗糙度 抽提物
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1.2.5.3 影响胶接破坏的因素
与胶接工艺相关的因素
涂胶量 陈化时间 加压压力 加压时间
胶接温度等
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1.2.6 胶接与木材相关因素
胶接接Fra Baidu bibliotek的破坏类型
被胶接物破坏和胶粘剂的内聚破坏，主要取决于二者材
料自身的强度。也与材料的内部缺陷、构成接头后体系
胶层厚度、被胶接物表面处理状况、组分之间的相互作 用情况有关。此时的胶接强度并不等于材料自身的强度。 一般都较材料强度要小。 界面破坏的原因是被粘材料的可粘性能差造成的。
接头破坏的类型会随着各种不同的条件的变化而转变，
润特性。 可用表面能来进行解释。
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铺展系数 的物理意义
= S －(SL + LV )
当固体的表面张力S 大于固液表面张力与液气表张力
之和时，铺展系数大于0，说明液体容易在固体表面铺展
润湿。另外，SL固液表面张力，由于固体(有机材料)与液 体的密度差别不大，该项可以忽略。则有：
当液体的LV 小于该固体的C
时，液体在其固体不能保持， 会自发浸润。
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1.2.3 临界表面张力
通常物质可以分为极性、 非极性和氢键结合型，由不同
种的液体可分别得到不同的临
界表面张力。 当固体与液体同系列时， 由此测得的C 最大，也最接近 固体的表面张力。因此，为测 量得到固体的表面张力，一般 要尽量选用与固体性质相同的 系列液体进行测定。
1.2.5 胶接流变学与胶接破坏
胶粘剂一般是液体，胶粘剂固化后形成胶接力，直到 胶接破坏，所以在胶接过程是胶粘剂的流变过程。 通过胶
接试验结果所观察到的有关胶接的各种现象中，许多问题
不从流变的观点考虑是难于理解的。因此，无论是胶接过 程还是破坏过程都具有流变的特征。
胶粘剂与被粘 物质接触与润湿
胶粘剂逐渐变成 固体形成胶接力
或预聚物、溶液或乳液、熔融聚合物。
流动：这是胶粘剂浸透到固体间并嵌入空隙中的过程。 在此关系到胶粘剂粘性等流变学的性质。 润湿：为了使胶粘剂能够浸润固体空隙，并润湿固体 表面，胶粘剂对固体的接触角必须要在90° 以下。
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1.2.1 胶接的主要过程
扩散、粘接、吸附：这个过程是与润湿平行发生的， 高分子中链段是通过界面自由能变成最小来吸附和取 向的规则形成胶接层结构的。
固化：由于聚合、溶剂的挥发、冷却等作用，胶粘剂
固化后形成所需强度的过程。
粘接体系的变形和破坏：这是在实际使用直至破坏的
过程。
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1.2.2 固体表面上液体的平衡
SV = LV cos + SL
S = SV +π
式中：SV ── 固/气界面张力；
LV
液滴
LV ── 液/气界面张力；
由于表面张力与表面能成正比，故一般来说，要想
获得好的润湿，固体的表面能需要大于或者等于液体的
表面能。
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选择胶粘剂的条件
胶接体系只有满足上述条件，才有可能出现cos =1，从 而获得形成良好胶接接头的必要条件，即是选择胶粘剂时的
必要条件，即被胶接物表面能大于或等于胶粘剂的表面能。
S = SL + LV cos
当 =180° ，cos = -1，表示胶液完全不能浸润被胶接固 体的状态，这样的情况很少见。 当 = 0° ，cos = 1，代表完全浸润状态。当体系接近完 全浸润状态时，可表示为
S －(SL + LV )≥0 设 = S －(SL + LV )，并称为铺展系数。用于描述浸
B. 对胶接体完全不能浸润状态
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1.2.3 临界表面张力
液体的表面张力与润湿角可以直接测定，但固体
的表面张力却是很难直接测定的。但是我们可以通
过间接的方法来测定固体的表面张力。 根据young公式： SV = LV cos + SL 通过测定同类不同液体的润湿角，及液体的表面 张力，以 cos 为纵坐标，以LV 为横坐标作图得到
密度与树种
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1.2.6 胶接与木材相关因素
润湿性能
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1.2.6 胶接与木材相关因素
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1.2.4 胶接功 (WA)
1
1
脱开胶接
1
12 SL
1 + 2 2
2
2
Dupre的假想
脱开胶之前的界面能为： 12（两相的界面能） 脱开胶的界面能：1 + 2 ，因此，胶接功为： WA = 1 + 2 - 12
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1.2.4 胶接功 (WA)
一直线，将其外推到 cos =1 的情况，此时的LV 即
为临界表面张力，记为C 。
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1.2.3 临界表面张力
临界表面张力C 是指固体的 表面张力，与固体表面的化学 结构有着密切的关系，不同的 物质，有其不同的C 。 当液体的LV 大于该固体的C 时，液体在其固体上保持一定 的接触角。
接面的某一线上。
④ 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。 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。
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胶接接头的破坏类型
被胶粘材料破坏
胶粘剂破坏
界面破坏
混合破坏
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12 SL
1
脱开胶接
2
1 SV
2 LV
1
1 + 2 SV+ LV
2
如果假定1为固体，2为液体，则有：
WA = SV + LV - SL，将young公式代入有：
WA = LV（ 1 + cosθ）
SV = LV cos + SL
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1.2.4 胶接功 (WA)