精细化工工艺学-第三章 胶粘剂

www.themegallery.com 第三章 胶粘剂
胶粘剂的固化
固化：通过适当方法使胶层由液态变成固态的过程。 热熔胶的固化
溶液型胶的固化
乳液型胶的固化
增塑糊型胶粘剂的固化 反应型胶粘剂的固化
按 固 化 方 式
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3.3 粘结接头的设计
1 接头及其受力情况：相当复杂，主要机械力
优点： 对胶接现象可以部分解释。 缺点： 无法解释不发生化学反应的胶接现象。
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其它胶接理论
配位键理论
弱界面层胶接理论
五环说
胶接强度
胶粘剂
• 分子结构 • 配方设计
被胶接材料
• 性质 • 表面处理 • 操作工艺
环境
• 环境介质 • 应力状况
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机械结合理论
观点：
该理论认为，粘合剂浸透到被粘物表面的空隙中，固化 后就象许多小钩和椎头似地把粘合剂和被粘物发生纯机械咬 和与镶嵌，这种细微的机械结合对多孔性表面更为显著 。
特点： 机械连接力和摩擦力有关。
F
WH
F:摩擦力； W：法线压力； H：固体表面的凹凸高度； 1/λ:单位长度的凹凸高度。 缺点： 对非多孔材料黏结无法解释。
I ,I
化率； ——偶极矩 （永久，诱导）
在范氏力中 起主要作用
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吸附理论
吸附理论认为胶接过程分两个阶段 第一阶段：胶粘剂分子通过布朗运动，向胶接 物体表明移动扩散，使二者的极性基团或分子 链段互相靠近。 第二阶段：吸附力产生。作用能E如下
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影响胶接强度的因素
胶层厚度 被胶接物的 表面状态 弱界面层 内应力 交联度 胶粘剂的 固化
胶接强度
分子量及分 子量分布
极性
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3.4 各种胶粘剂介绍
• 硅酸盐类：硅酸盐水泥、硅酸钠（水玻璃）
前苏联：Mcbain J W.J Phys Chem，1926，30：114
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化学键理论
观点：
化学键理论认为粘合剂与被粘合物之间除存在 范德华力外，有时还可形成化学键。化学键的键能比 分子间的作用大的多，形成较多的化学键对提高胶接 强度和改善耐久性都具有重要意义。
结论
胶粘剂与被胶接材料 表面间的距离是产生 胶接力的必要条件 胶接体系内分子接触 区（界面）的稠密程 度是决定胶接强度的 主要因素 物质的极性有利于获得 高胶接强度，但过高会 妨碍湿润过程的进行
必要非充分条件
胶粘剂湿润被胶接材料的表面 产生物理吸附
H2O
高的胶接强度
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a u a u ED 1 1 6 2 2 R a ,a 式中： u 1,u2 ——分子极 1 2
2 2
色散力：非极性分子 间的作用力。 3 I1 I 2 a1 a2 EL I I R6 2 1 2
1 式中：2 I1 , I 2 ——分子 电离能
剪切力 拉伸力
剥离力 不均匀扯离力
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接头形式选择原则 2 接头形式选择原则： 胶层承受剪切力和拉伸力， 避免剥离力和不均匀扯离力。 增加粘结面积 防止层间剥离 避免应力集中 胶层均匀 加工容易，方便
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相关定义 胶接接头（adhesive joint）：通过胶粘剂而得到 的组件。 被粘物（adherends）：接头中除胶粘剂外的固 体材料。 粘结（adhesion）：胶粘剂把被粘物所受的载荷 传递到胶接接头的现象。 粘附力（practical adhesion）：强度由被粘物和 胶粘剂的力学性能决定。
总结
• 胶接过程是一个复杂的过程，以上几种胶接理论即有实验事实 作依据，又都存在有局限性 • 对于固体和胶粘剂产生胶接作用的原因，可概括为： （1）相1和相2机械结合作用。包括：①胶钉理论（anchoring）； ②被胶接固体经表面处理后产生触须（whisker）状凸起，相1与 相2纠缠咬合（interlocking）。 （2）相1和相2的化学吸附结合作用。包括：①通过相互扩散， 在分子之间产生分子间的拉引作用力（内聚力）；②相1相2密 切接触，产生分子间的拉引作用力；③相1和相2通过化学键结 合在一起。 • 胶接效果是主价力、次价力、静电引力和机械作用力等综合作 用的结果。
该理论认为：在胶接接头中存在双电层，胶接 力来自双电层的静电引力。 胶接功等于电容器瞬间放电的能量，计算公式 如下：
WA
2Q 2

h
WA－－胶接功；Q－－电荷表面密度； h－－放电距离；ε－－介质的介电常数
前苏联：Mcbain J W.J Phys Chem，1926，30：114
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树脂型
合成有机 胶粘剂
橡胶型 复合型
氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、 聚硫橡胶、端羧基橡胶、有机硅橡胶、热塑 性橡胶 酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-氯丁橡胶、酚醛丁腈橡胶、环氧-酚醛、环氧-聚酰胺、环氧丁腈橡胶、环氧-聚氨酯
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1.无机胶粘剂：即由无机盐、无机酸、无机碱和金属氧 化物、氢氧化物等无机物组成的胶粘剂。 按化学成分：硅酸盐，磷酸盐，硫酸盐，硼酸盐等。 按固化机理：气干型，水固型，热熔型，反应型。 特点：耐热性，阻燃性，耐光性，耐油性比有机胶粘 剂好，抗老化，原料价廉，（一般耐900~1000℃） A 热熔型胶粘剂 低熔点金属（如锡焊），玻璃陶瓷等 B 水固型胶粘剂： 有水泥，石膏
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扩散理论
观点：胶粘剂和被粘物分子通过相互扩散而形成 牢固接头。 特点： 1.胶接强度与接触时间，胶接温度，胶接压 力，胶层厚度有关系。 2.胶粘剂分子量越高越不利扩散。 3.分子链的柔韧性增加，侧基减少，有利分 子扩散，胶接强度也有增加。 4.极性与极性和非极性与非极性聚合物之间 都具有较高的粘附力。 缺点： 不能解释高聚物以外的胶粘现象。
d.胶粘剂的性能
耐温性
低污染性
轻质性
粘接无破坏性
ห้องสมุดไป่ตู้
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e.胶粘剂的应用
胶粘剂除有传统的粘接用途，还有一些新的、巧妙的应用。 1
防腐蚀 用于军事领域
2
3 4
用作生物医用
防恐反恐
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f.胶粘剂发展趋势
无 机
• 磷酸盐类：磷酸-氧化铜 • 硫酸盐类：石膏
胶 粘 剂
有 机
• 陶瓷：氧化锆、氧化铝
• 淀粉类：淀粉、糊精
天然有机 胶粘剂
• 蛋白类：大豆蛋白、血蛋白、骨胶、鱼胶、酪素、虫胶 • 硫酸盐类：石膏 • 陶瓷：氧化锆、氧化铝 • 热塑性：聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲 醛、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、 饱和聚酯等 • 热固性：脲醛树脂、酚醛树脂、间苯二酚树脂、 三聚氰按树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、聚异氰酸 酯、呋喃树脂等
c胶粘剂的分类
c胶粘剂的分类：胶粘剂种类繁多，组分各异， 有多种分类方式。 1、按物理形态分类： 水溶液型、溶液型、乳液（胶乳）型、无溶 剂型、固态型、膏状或糊状。 2、按化学成分分类： 1）无机胶粘剂 2）有机胶粘剂 3、按来源分类 1）天然胶粘剂 2）合成胶粘剂
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3.3 如何正确选择胶粘剂
应考虑五个方面： 1.被粘接材料的性质 2.被粘接体应用的场合及受力情况 3.粘接过程有关特殊要求 4.粘接效率和粘接成本 5.同材料或不同材料间实施胶接，应对胶粘剂进 行选择 胶接工艺中最主要三个环节： 1.选择胶粘剂 2.胶接接头设计 3.表面处理
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3.1 胶粘剂的定义及特点
胶粘剂（黏合剂）eltadhesive： a定义：靠界面间作用使各种材料牢固地粘接 在一起的物质。 b胶粘剂的组成： 粘料 稀释剂 填料 组成 固化剂和固化促进剂
增塑剂和增韧剂
偶联剂 和其他助剂
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试中：
2 E 6 R 3 2 4 2 /(3kT) 8 I
－－分子偶极矩；I－－分子电离能；R－－分子间距离
－－极化率；k－－波耳兹蔓常量；T－－热力学温度
出处：Hofrichter C H.Ind.Eng.Chem,1948,40:329
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粘结接头类型
粘结接头类型：型样各异，变化多端
对接接头（butt joint） 斜接接头（scarf joint） 搭接接头（lap joint） 套接接头（dowel joint)
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3.2 粘接原理
吸附理论 胶接作用是胶粘剂分子与被胶接物分子界面 发生吸附作用。（物理吸附和化学吸附） 特点： 1. 范德华力和氢键力 2. 具有热力学平衡 3. 根据胶接功可计算胶接强度 4. 润湿影响胶接强度
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范德华力
偶极力：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 , u 2 ——偶极矩
2 2
诱导偶极力：由于受到 极性分子电场的作用而 产生的。
R——距离；T——绝对温度 K——波尔兹曼常数
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 电引力的产生是相1电荷场相2电荷场相互作用的结果。 贡献 成功地解释了粘 附功与剥离速度 有关的实验事实 缺陷
• 静电引力（<0.04MPa）对胶接强度的 贡献可忽略不计 • 无法解释用炭黑作填料的胶粘剂及导电 胶的胶接现象 • 无法解释由两种以上互溶高聚物构成的 胶接体系的胶接现象 • 不能解释温度、湿度及其它因素对剥离 实验结果的影响
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C 磷酸盐类胶粘剂
基料：由酸式磷酸盐、偏磷酸盐、焦酸盐为基料或 直接由酸与金属氧化物、卤化物、氢氧物、碱性盐 类、硅酸盐、硼酸盐等的反应产物为基料。
固化剂：金属氧化物、氢氧化物、硼酸盐、硅酸盐 以及金属盐等。
1）发展无溶剂性胶粘剂 现行的许多胶粘剂都含有大量挥发性很强的溶剂,这些溶剂 不仅危害人的身心健康,而且会破坏大气层中的臭氧层。近年 来,引起了公众和政府的高度重视,这样自然给胶粘剂工业带来 了一种新的发展趋势,即向无溶剂的胶粘剂发展。 2)发展纳米胶粘剂 纳米胶粘剂是材料领域的重要组成部分,发展纳米胶粘剂,有 可能在席卷全球的“纳米经济”急战中,抢夺一个技术制高点。 纳米胶粘剂将成为一颗耀眼的新的科技明星。 3)发展多功能胶粘剂 当一种胶粘剂同时具有多种功能的时候,它的应用价值往往 陡增,所以多功能胶粘剂是胶粘剂工业的发展趋势之一。 4)发展军事、国防用胶粘剂 发展军事、国防用胶粘剂是未来战争和防恐、反恐的需要, 因此它必定有着长足发展。
吸附理论
吸附理论的缺陷： 1. 解释不了胶粘剂与被胶粘物之间的胶接力 大于胶粘剂本身的强度。 2. 解释不了胶接强度大小与分子间的分离速 度关系。 3. 解释不了对于高分子化合物极性过大，反 而胶接强度降低。 4. 解释不了水的影响。
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静电理论