第二章胶接基础案例

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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
低温等离子体进行处理使表面改性,才能进行粘接。
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
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:
a
16 Wa 1/ 2 Z0 9(3)
式中Z0是两相达到平衡时的距离;Wa为胶接功。

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

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(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

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)劈裂
①拉应力:外力与胶接面垂直,且均匀分布于整个胶接面。
第一节 形成胶接的条件
1. 胶接的基本过程
1.1 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,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。

理想的胶接强度,可以在一些假定的前提下计算出来。 因为这是从理想状态出发的,没有考虑一系列可能影
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'胶接功的方程式来判断润湿 Wa =γSV + γLV - 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: Wa = γLV(1 + cosθ) 此式称为Young-Dupre‘方程,θ越小,Wa越大。
第二节 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。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
响胶接强度的实际因素,所以理想的胶接强度比实际
测得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。
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
第二章 胶接基础

胶接接头: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。

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
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。
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。

(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。

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。

胶黏剂与基体之间的接触程度也受到表面能的影响。
Zisman曾经指出,接触角对衡量接触程度是有用的量 度。


液体胶黏剂和高表面能固体之间的分子相互作用
能,—般都超过液体分子本身的内聚能。

金属、金属氧化物和各种无机物都是高能表面,如
与其接触的液体或胶黏剂的粘度很低,表面张力也低,则
其接触角很小,可以自动润湿铺展,分子相互接触紧 密,胶接强度可能高。
过胶黏剂产生高度的分子接触,提高胶接强度。

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。
3 表面能

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。
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。

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。
1.2 实际的胶接

实际的胶接,大多数都要使用胶黏剂,才能使两个固体
通过表面结合起来。聚合物处于橡胶态温度以上时(未达熔
融态),通过加压紧密接触,使两块处于橡胶态的聚合物,
的强度区域,那末,即使胶黏剂与被粘物之间有良好
的接触,接头强度也并不会很高。

边界层主要是指固体、液体、气体紧密接触的边缘部
分,从物理角度看,通常是指流经固体表面最接近的 流体层,对传热、传质和动量均有特殊影响,但没有 独立的相,这一点和界面是有一定区别的。如边界层 内存在低强度区域,则称为弱边界层。
湿。

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

在胶接过程中,由于胶黏剂的流动性和较小的表面
张力,对被粘物表面产生润湿作用,使界面分子紧密接 触,胶黏剂分子通过自身的运动,建立起最合适的构型,
达到吸附平衡。 随后,胶黏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;金
属或无机物由于受结晶结构的约束,分子较难运动,但
表面张力分别为γs = 35.7、23.9 mN/m, γc =31.19 mN
/m,低于一般胶黏剂的表面张力值(78~33 mN/m),所
以润湿与胶接的效果均不好。只有进行表面改性,提高表
面能,才能满足胶接要求。
4 弱边界层

胶黏剂与被粘物之间,应当有良好的分子接触,才能 达到较高的胶接强度。如在胶接接头内,存在相当低

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
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
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。

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。
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。
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。

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)
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
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。
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。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

聚合物基体内,形成弱边界层的原因,可能有以下几 种: ①聚合过程所带入的杂质影响,如从聚合反应釜中掉 进去的润滑油,这是低分子量的有机杂质; ②聚合过程未全部转化的残余低分子量尾料;
③加入的抗氧剂、增塑剂、紫外光吸收剂、润滑剂等低
分子量助剂的影响;
④成型加工过程中带入的杂质,如脱模剂的影响;
⑤商品在贮存运输过程中,不慎带入的杂质。

反之,许多极性的液体胶黏剂和非极性的聚乙烯或
其他聚合物,由于低能表面以及和液体胶黏剂的极性不 相匹配,形成的接触角大,胶接效果不好,胶接强度也 不会高。
实践证明,凡是液体或胶黏剂表面张力低于基体表面 张力,就会表现出良好的润湿铺展效果,并且分子接触比 较紧密,意味着会出现较高的胶接强度。 非极性聚合物如聚乙烯和聚四氟乙烯的表面能和临界
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,这时不需要胶黏剂也可能使聚合物胶接起来。
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。 金属、无机材料不存在橡胶态,在固态的情况下,即 使加压、加热,也不可能达到分子接触,这就更需要依 靠胶黏剂来实现胶接。
第三节 胶 接 理 论

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。

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。
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