胶粘剂与涂料之二-木材胶接基础1

静电理论
扩散理论 化学键理论
40年代 Deryaguin 等提出
40年代 Voyutskii 等提出 60年代前后建立 60年代前后建立 60年代前后建立
弱界面层理论 机械结合理论
胶粘剂流变学理论 60年代前后建立
广西大学林学院张一甫
1.1.1 吸附理论
吸附理论认为：胶接作用是胶粘剂分子与被胶胶接物分子在 界面上相互吸附产生的。胶接作用是物理吸附和化学吸附共 同作用的结果，而物理吸附则是胶接作用的普遍性原因。
2
2
R
6
分子极化率
1 , 2
偶极矩(永久或者诱导)
广西大学林学院张一甫
知识回顾------范德华力
3. 色散力：瞬间偶极－瞬间偶极之间有色散力，由于各 种分子均有瞬间偶极，故色散力存在于极性分子-极性分子、 极性分子-非极性分子及非极性分子-非极性分子之间。色散 力不仅存在广泛，且在分子间力中色散力经常是重要的。
2 2 2 2 2 2
2 1 2 1 3 I1 I 2 2 2 6[ (1 1 2 2 ) 1 2 ] R 3KT 2 4 I1 I 2
广西大学林学院张一甫
1.1.1 吸附理论
如果假定胶粘剂与被粘物的性质相同，其分子 偶极距一样，极化率也一样，这样的话，则有：
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。 静电理论无严格证明，对胶接强度的影响至今未 获得定量的结果。所以有待于进一步研究。
广西大学林学院张一甫
1.1.4 静电胶接理论
在干燥环境中从金属表面快速剥离粘接胶层时，可用仪
器或肉眼观察到放电的光、声现象，证实了静电作用的存在。
但静电作用仅存在于能够形成双电层的粘接体系，因此 不具有普遍性。 此外，有些学者指出：双电层中的电荷密度必须达到1021 电子/厘米2时，静电吸引力才能对胶接强度产生较明显的影响。
酸性物质， 电子受体 碱性物质， 电子给体
⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕
广西大学林学院张一甫
1.1.2 机械结合理论
由Mcbain，Hopkis提出的机械结合理论是胶接领域中最
早提出的胶接理论。他认为液态胶粘剂充满被胶物表面的缝
隙或者凹陷处，固化后的界面区产生机械啮合作用或者锚固 作用。
广西大学林学院张一甫
胶接吸附特性实例
环氧树脂胶接铝合金时，剪切强度 F 与环氧树脂 中的-OH 基含量之间存在如下的关系： F= A + B [ -OH ]2/3 A, B为常数
由该式发现了什么样的规 律，从什么样的角度说明了吸 附理论的正确性？
广西大学林学院张一甫
吸附理论存在的不足
吸附理论把胶接现象与分子间力的作用联系在一起，在 一定的范围内解释了胶接现象，得到广泛的应用与支持，但 也存在着一些不足。 不能够圆满解释胶粘剂与被胶物之间的胶结力大于胶粘剂
胶粘剂 被胶材料
过渡层
广西大学林学院张一甫
1.1.3 扩散理论
• 溶解度参数相近
网络结构过 渡区的形成
• 扩散 对某些胶接制品的剪切强度不高， 而剥离强度很高的成功解释。
广西大学林学院张一甫
1.1.3 扩散理论
★线性高分子的胶接体系
★轻度交联的高分子胶接体系
可解释同种或结构、性能相近的 高分子化合物的胶接作用。
胶液滴
被胶接材料
物理吸附区域
广西大学林学院张一甫
1.1.1 吸附理论
吸附理论认为胶接过程分为两个阶段。
第一阶段胶粘剂分子通过布朗运动向被胶材料表
面移动扩散，使二者的极性基团或分子链相互靠
近，在此过程中，升温、施压、降低胶粘剂粘度
都有利于布朗运动的进行。
第二阶段是当胶粘剂和被胶材料分子间距达到
沥青（酸性）+石灰（碱性） 胶接好
沥青（酸性）+花岗岩（酸性）
胶接差
钛酸钡（碱性）+酸性聚合物
性能好
钛酸钡（碱性）+聚碳酸酯（碱性）
性能差
广西大学林学院张一甫
酸碱配位理论
基于上述的事实，Fowkes提出酸碱作用理论，认为：
wenku.baidu.com
被胶接物质与胶粘剂按其电子转移方向划分为酸性或者碱性
物质，电子给予体或者质子受体为碱性物质，反之则为酸性 物质，胶接体系界面的电子转移时，形成酸碱配位作用而产 生胶接力。
2 2 1 3 I 2 2 E 6[ (2 ) R 3KT 2 4 2I 2 4 3 2 2 6[ I ] R 3KT 8 4

由上式可见，胶粘剂与被粘物的极性越大，分 子之间接触得越紧密，物理吸附对胶接强度的 贡献越大。
广西大学林学院张一甫
胶接吸附特性实例
Mclaren等用醋酸乙烯-氯乙烯-顺丁烯二酸共聚 物胶接玻璃时，当改变共聚物中的羧基浓度时，发现 剥离强度 F 与-COOH 基（羧基）浓度存在如下关系： F= k [-COOH ]n n=0.5-0.75
k为常数
由该式发现了什么样的规 律，从什么样的角度说明了吸 附理论的正确性？
应用于航天航空、机械、轻工及木材加工等领域中。这
些应用在为胶接机理提供物质基础的同时，也对胶接理 论提出了新的课题。 胶接技术是一门古老的学科，但是胶接理论的研究
却是近百年来才开始的，直到上个世纪40年代才相继提
出了几种学说，其中主要的学说有下列几种。
广西大学林学院张一甫
胶接的几种主要学说
吸附理论 40年代 A.D.Mclaren 等提出
2. 诱导力：诱导偶极与永久偶极作用称为诱导力，极性 分子作用为电场，使非极性分子产生诱导偶极或使极性分子 的偶极增大(也产生诱导偶极)，这时诱导偶极与永久偶极之 间形成诱导力，因此诱导力存在于极性分子与非极性分子之 间，也存在于极性分子与极性分子之间。
ED
1 , 2
1 1 2 2
发现由导管腔至细胞壁纹孔的各种木材组织内腔中都有胶
粘剂渗入。
广西大学林学院张一甫
1.1.2 机械结合理论
机械结合理论不能够解释非多孔材料、表面光
洁材料的胶接现象，也无法解释材料表面化学
性能的变化对胶接作用的影响。
许多事实证明，机械结合力与物理吸附和化学 吸附作用相比，它是产生胶结作用的第二位次 要因素。
本身强度这一事实；
不能够解释胶接强度与剥离速度有关这一现象； 不能够解释极性的α-氰基丙烯酸甲酯能够胶接非极性的聚 苯乙烯类化合物的现象；聚合物极性越大，胶接强度反而 下降现象；网状结构的聚合物当分子量超过5000时，胶接
力几乎消失等现象。
广西大学林学院张一甫
氢键与酸碱配位作用
氢键的本质：强极性键(A-H)上的氢核 与电负性 很大的、含孤对电子对并带有部分负电荷的原子B之 间的静电引力。它的键能比其它的次价力大得多，可
10A以下时，便产生分子间作用力，即范德华力。
广西大学林学院张一甫
知识回顾------范德华力
取向力、诱导力和色散力统称范德华力，它具有 以下的共性：
1) 永远存在于分子之间； 2) 力的作用很小； 3) 无方向性和饱和性； 4) 是近程力，作用距离短； 5) 经常是色散力为主。
广西大学林学院张一甫
知识回顾------范德华力
1. 取向力：极性分子之间靠永久偶极－永久偶 极作用称为取向力，仅存在于极性分子之间。
2 1 2 Ek 6 3 R T K
2 2
式中： 1 , 2 为偶极矩 R 为距离；T 为绝对温度 K 为波尔兹曼常数
广西大学林学院张一甫
知识回顾------范德华力
量。可以用公式来表示。
广西大学林学院张一甫
1.1.4 静电胶接理论
2Q
2
WA

h
ε,介质的介电常数；h,放电距离； WA，粘附功；Q，电荷表面密度。
静电理论是以胶膜剥离时所耗的能量与双电层模型计
算粘附功相符的事实为依据的。实验中，当胶接接头以极 慢的速度剥离时，电荷可以从极板部分逸出，降低了电荷 间的引力，减少了剥离时消耗的功，当快速剥离时，电荷 没有足够的逸出，粘附功偏高。粘附功偏高。当这就解释 了粘附力与剥离速度有关的实验事实。弥补了吸附理论的 不足。
们的固相却互不扩散的现象。
广西大学林学院张一甫
1.1.4 静电胶接理论
1949年，前苏联学者根据胶膜从被粘物表面剥离时的放电
现象，提出了静电理论。该理论认为，在胶接接头中存在
着双电层，双电层的静电引力形成了胶接力。 有人从量子力学的观点出发，认为胶接时，在金属和聚合 物紧密接触层上，表面能垒的高度与宽度变小，电子在无 外力的作用下，穿过相界面而形成双电层。 当胶粘剂从被粘表面剥离时，两个表面间产生电位差，并 且随着被剥离距离的增大而增加，达到一定的程度时，便 发生放电现象。此时粘附的功就等于电容器瞬时放电的能
熵可以定义为玻尔兹曼常数乘以系统分子的状态数的对
数值：S=k㏑Ω，这个公式是统计热力学的中心概念。
k=1.3806505 × 10-23 J/K
广西大学林学院张一甫
1.1.1 吸附理论
范德华力是取向力、诱导力及色散力综合作用的结果， 其作用能也是三种结果的加和，可以用下述的公式表示：
E Ek E L E D 2 1 2 3 I1 I 2 1 2 1 1 2 2 6 6 3 R T K 2 I1 I 2 R R6
第一章 木材胶接基础-1
2013年9月
Contents
1.1 胶接理论 1.2 胶接界面化学 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
广西大学林学院张一甫
1.1 胶接理论
胶接理论是研究胶接力形成机理，解释胶接现象的
理论。随着胶接工业的飞速发展，胶接技术日益广泛地
广西大学林学院张一甫
1.1.3 扩散理论
有利扩散的措施
降低分子量
提高接触时间
提高胶接温度
广西大学林学院张一甫
扩散理论局限性
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
广西大学林学院张一甫
1.1.3 扩散理论
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。
而双电层栖移电荷产生密度的最大值只有1019电子/厘米2（有
的认为只有1010-1011电子/厘米2）。因此，静电力虽然确实存 在于某些特殊的粘接体系，但决不是起主导作用的因素。
广西大学林学院张一甫
静电胶接理论的不足
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；
以看作是广义的范德华力。
许多胶接体系无 法用范德华力来解释， 而与酸碱配位作用有
关。
广西大学林学院张一甫
氢键的形成条件与氢键的特点
请叙述氢键形成
的条件与氢键的特点。
在木材与脲醛胶的胶
接过程中，木材与脲 醛胶粘剂之间是否可 能形成氢键？如果形 成氢键的话，可能是
怎样形成的？
广西大学林学院张一甫
氢键与酸碱配位作用
被胶接材料
固化后胶粘剂
广西大学林学院张一甫
机械结合理论的印证
无机胶粘剂的套接强度高。
磷酸与氧化铜无机胶粘剂，固化时形成磷酸亚铜的微
晶，体积膨胀，产生机械力，套接强度比相同条件下的对 接与搭接高几倍。 木材表面存在大量的纹孔和暴露在外的细胞腔，从而 产生胶接力。用SEM（扫描电镜）观察木材胶接层(樟木)，
3 I 1 I 2 1 2 EL 6 2 I1 I 2 R
I1，I2 分子电离能
广西大学林学院张一甫
小帖士-----玻尔兹曼常数
玻尔兹曼常数（Boltzmann constant）（k 或 kB）是有关
于温度及能量的一个物理常数。玻尔兹曼是一个奥地利物理 学家，在统计力学的理论有重大贡献，波兹曼常数具有相当 重要的地位。 熵函数