聚合物的粘结及粘结机理

4 黏附功
液体-固体体系的黏附功： WA=Rlv(1+COSθ) 其数值随液体对固体的接触角变化而变化。 在完全不浸润的情况下，COSθ=-1，WA=0。 在完全浸润的情况下，黏附功等于液体表面张 力的2倍。 Zisman等利用浸润临界表面张力rc值的性 质，推导了黏附功与液体表面张力及固体rc值 之间的关系： WA=（2+b rc) rlv-br2lv 式中，b是经验常数，在低表面固体的情况下 约等于0.026
⑵胶料分子量的影响
胶料的分子量低，粘度小，流动性大， 易于润湿，便于粘接，但因内聚力小，粘接 强度低；若分子量很大时，内聚力更大，也 不利于获得高的粘接强度。只有中等分子量 的胶料才比较合适。
⑶增塑剂的影响


加入增塑剂可以提高胶料分子的扩散能力，增加 粘接力，有利于粘接。 增塑剂用量过大，会降低内聚强度，同时，低分 子物过多，也会降低粘接力而导致粘接强度下降。
化学键理论认为：胶黏剂与被粘接物表面产生化 学反应而在界面上形成化学键结合而把两者牢固 地连接起来。 化学键理论是以胶黏剂分子和粘合表面的电子、 质子相互作用为基础。 化学键力包括： 离子键力、共价键力、配位键力
小结
以上是近年来提出的几种粘接理论，虽然每 一种理论都有一定的事实根据，但又与另一些事 实发生矛盾。实际上，粘接界面上存在着多种现 象，往往是需要几种理论的配合，而并非一种或 两种理论单独可以解释的，因此，在讨论粘接理 论时，要注意几种粘接理论的结合。
聚合物的粘接及粘接机理
姓名：毛培 学号：11111842265 班级：11级应用化学
主要内容
一、基本原理 二、粘接理论与机理 三、粘接接头的设计 四、影响粘接强度的因素
一、 基本原理
1 浸润与粘接
粘接实际上是一种界面现象，粘接的过 程主要是界面物理和化学变化的过程。要使 两个制件能紧密的粘接起来，并具有一定的 强度,胶黏剂必须与制件表面相互“润湿”， 其重要前提是在界面形成某种最低的能量结 合。 因此，接下来将从表面物理和化学的角 度来讨论粘接。
⑵第二阶段是由吸引力产生的，当胶黏剂与 被粘物分子间距达到10埃时，便产生了分子 之间的作用力，即范德华力，使得胶黏剂与 被粘结物结合更加紧密。
对吸附理论的客观评价：
吸附理论正确地把粘结现象与分子间作用力 联系在一起，在一定范围内解释了粘结现象。 但是它还存在许多不足。 ①吸附理论把粘接作用主要归因于分子间作用 力，但对于胶黏剂与被粘接物之间的粘接力大 于胶黏剂本身的强度这一事实却无法圆满解释。
⑷ 填充剂的影响

在一定用量范围内剪切强度随填充剂量的增 加而提高，但剥离强度却会受到影响。
溶剂型胶黏剂的溶剂要有很好的溶解性，否 则容易出现分层、离析、结块、凝胶等缺陷
⑸溶剂的影响
⑹贮存期的影响
胶黏剂在贮存的过程中，会缓慢的发生自聚 等而导致粘接力随着贮存时间的延长而有所 下降。
2 表面性能对粘接的影响
常用的接头形式主要有： 对接 斜接 搭接 套接 嵌接 角接 T接
四 影响粘接强度的因素
胶黏剂的影响 表面性能对粘接的影响 接头设计的影响 粘结工艺的影响

Байду номын сангаас 胶黏剂的影响
⑴胶料结构的影响 含有-NHCOO-、-CN-、-COOH、-CONH-、-CL、 -COOC-等基团的胶料所配制的胶黏剂，由于含 有极性基团，因此既具有很高的内聚强度，又有 很强的粘接力，对提高粘结强度极为有利。 含有苯环和杂环的胶料，因柔顺性差、空间位阻 大，影响分子的扩散，因而粘接力降低。
5 弱边界层理论
弱边界理论（WBL)认为粘接体系由于工艺 上或结构上的原因，存在着这种或那种较弱的 结合处，即内聚强度较低的部位。当粘接件受 到外力作用发生破坏时，由于材料界面处存在 较低的内聚强度，所以一般都会在低于它们预 期强度的情况下断裂，这些内聚强度较低的物 质就构成了“弱边界层”。
6 化学键理论
θ=0°
表示胶液完全浸润的状态
2 粘接张力
粘接张力是在粘接过程中所产生的，也称 为润湿压，是描述液体浸润固体表面时固体表 面自由能的变化情况，用A表示，根据Young 氏方程有： A=rlvcosθ=rsv-rsl 上式表明： 当胶黏剂浸润固体时，固体表面的自由能减 小。 当rlv一定时，即液体（胶黏剂）固定，改变 固体（被粘结物）时，cosθ越大（θ越小）润 湿越好。
⑵增大有效粘接面积
在条件允许的情况下，增大粘接面积能够有 效提高胶层承受载荷的能力，尤其是对提高结 构粘接的可靠性更是一种有效的途径。
例如：修补裂纹时开V形槽、加固时的补块等都 是增加粘接面积的有效途径
⑶尽量避免应力集中
基材、胶黏剂与被粘接物弹性模量的不同、粘接 部位胶黏剂分布不均匀以及在使用过程中所受外 力的不均匀都是引起应力集中的原因之一。 实用的解决办法：各种局部的加强 例如：剥离和劈裂破坏通常是从胶层边缘开 始， 这样就可以在边缘处采取局部加强或改变胶缝位 置的设计来达到减少应力集中的目的。
接头结构的设计：
①保证胶黏剂形成厚度适当、连续均匀的胶层 ②不包囊空气，易排出挥发物。 ③ 为胶黏剂固化时收缩留有必要的自由度，
以减小内应力。
6 施工方便简洁
粘接接头的结构设计要根据施工现场的实际 情况，考虑施工的方便性，如涂液、叠合、加压、 加热固化等操作都能容易进行。
2 粘接接头的设计形式

由上述静电理论可知，双电层含两种符号 相反的空间电荷，这种空间电荷间形成的电场所 产生的吸附作用有利于粘接作用。当胶黏剂-被胶 粘物体系是一种电子的接受体-供给体的组合形式 时，由于电子从供给体相（如金属）转移到接受 体相（如聚合物），在界面区两侧形成了双电层。
4 机械互锁理论
机械互锁理论认为粘接力的产生主要是由于 胶黏剂在不平的被粘物表面形成机械互锁力。 对于多孔性材料，胶黏剂可以轻易地渗透到 这些凸凹不平的沟壑或空隙中去，并部分地置换 出这些空隙中的空气，形成了胶黏剂与被粘物之 间以弯曲的路径作紧密接触，固化之后的胶黏剂 就像小钩子似地与被粘物连接在一起，在剥离过 程中，胶黏剂（或被粘物）发生形变，会消耗能 量，从而使粘接件强度表现得更高。
三 粘接接头的设计
粘接接头设计的原则 粘接接头的设计形式

粘接接头： 当两个物体用胶黏剂粘接时，被粘接 的部分称为粘接接头，它是由被粘接物和 夹在其间的胶层所构成的，起着传承力的 作用。
1 粘接接头设计的原则
⑴充分考虑受力形式 一般情况下，粘接接头的拉伸强度、剪切强度和 压缩强度比较高，而剥离、弯曲、劈裂强度相对 比较低，因此，在粘接接头结构设计时应尽量使 胶层承受拉伸和剪切负载，或者设法将其他形式 的力转换为能够承受剪切力或拉伸力。
胶粘剂对被粘物表面的润湿
液体润湿固体程度： θ 〉90°不能很好润湿； θ〈 90°能很好润湿； θ=180° 表示完全不润湿 θ=0° 表示完全润湿
粘接接头具有良好粘接性能的先决条件： 胶黏剂与被粘物之间形成浸润状态 如果浸润得好，被粘物和胶黏剂分子之间紧密 接触而发生吸附，则粘接界面形成了巨大分子间作 用力，同时排除了粘接体表面吸附的气体，减少了 粘接界面的空隙率，提高了粘接强度。 θ=180°表示胶液完全不能浸润被粘接固体的状态
二 粘接理论与机理
吸附理论 扩散理论 静电理论 机械结合理论 弱边界层理论 其他理论

1 吸附理论
吸附理论是以分子间作用力，即范德华力为基 础，在20世纪40年代提出并建立的。 吸附理论将粘接过程划分为两个阶段：
⑴第一阶段为胶黏剂分子通过布朗运动向被粘接物
体表面移动扩散，是二者的极性基团或分子链段相 互靠近，在此过程中可通过升温、降低胶黏剂的黏 度和施加接触压力等方法来加快布朗运动的进行。
3 静电理论
理论基础：双电层 静电理论认为当金属和非金属材料紧密接 触时，由于金属对电子的亲和力低，容易失去 电子，而非金属对电子的亲和力高，容易得到 电子，所以电子可以从金属移向非金属，这样 就在界面产生接触电势，形成双电层，双电层 电荷的性质相反，产生静电引力。 一切具有电子供给体和接受体的物质都可 以产生界面静电引力作用。
3 临界表面张力
临界表面张力rc与固体表面的化学结构有着 密切关系，不同的物质其界面化学参数不同。 对于某种固体来讲，当液体的rlv大于该固 体的rc时，液体在该固体表面保持一定的接触角， 并达到平衡；而当液体表面张力小于固体表面 张力时，固体表面将被浸润。 对于低表面能固体， rc值可以与表面自由 能rs相等。
⑷ 注意材料的合理配置
粘接热膨胀系数相差较大的材料时，温度的 变化会在界面上产生热应力和内应力，从而导致 粘接强度下降。 如在粘接不同热膨胀系数的圆管时，若配置 不当就可能自行开裂。一般将膨胀系数小的圆管 套在热膨胀系数大的圆管的外面。 对于木材或层压制品的粘接还要防止层间剥 离。
⑸保持胶层均匀连续
⑴表面结构的影响 ⑵表面能的影响
液体具有与表面有关的额外能量称为表面能。粘 接过程中，固体表面自由能大对粘接有利。 ⑶表面活性的影响 ⑷表面清洁度的影响 经化学或物理方法处理后的表面放在空气中常常 吸附有水分、尘埃、油污和氧化物等被污染，导 致胶黏剂的粘接强度和耐久性降低。
②在测定粘接强度时，无法解释粘接力的大小与剥 离速率有关的情况。
③无法解释诸如极性的a-氰基丙烯酯能粘接非极性的 聚苯乙烯类化合物的现象。
④无法解释高分子化合物极性过大，粘结强度而降低 的想象。
2 扩散理论

界面扩散形成一个过渡层； 两聚合物的胶结是在过渡层中进行的； 当两种高聚物的溶解度参数相接近时便会发生 互溶和扩散。界面发生互溶时，胶黏剂与被粘接物 之间的界面逐渐消失，变成了一个过渡区域，这有 利于提高粘接接头的强度。 在粘接体系中，适当降低胶黏剂的分子量有助 于提高扩散系数，改善粘接性能。