精细有机概论 第六章 胶粘剂

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1、第六章 胶粘剂,胶粘剂的定义及特点 粘结接头的设计 粘接原理 如何正确选择胶粘剂 常见胶粘剂介绍,3.1 胶粘剂的定义及特点,胶粘剂（黏合剂）adhesive： 定义：靠界面间作用使各种材料牢固地粘接 在一起的物质。,胶粘剂的组成：,第三章 胶粘剂,固化剂和固化促进剂,粘料,增塑剂和增韧剂,胶粘剂的分类,胶粘剂种类繁多，组分各异，有多种分类方式。 按物理形态分类 按化学成分分类 按来源分类,第三章 胶粘剂,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,按化学成分分类,无机胶粘剂 有机胶粘剂,按来源分类,天然胶粘剂 合成胶粘剂,胶粘剂的性能,耐温性,低污染性,粘

2、接无破坏性,轻质性,第三章 胶粘剂,胶粘剂的应用,第三章 胶粘剂,胶粘剂除有传统的粘接用途，还有一些新的、巧妙的应用。,胶粘剂发展趋势,发展无溶剂性胶粘剂 发展纳米胶粘剂 发展多功能胶粘剂 发展军事、国防用胶粘剂,第三章 胶粘剂,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。 胶粘剂工业新的发展趋势,即向无溶剂的胶粘剂发展。,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。,发展多功能胶粘剂,当一种胶

3、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。,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。,第三章 胶粘剂,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。,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

4、化,溶液型胶的固化,增塑糊型胶粘剂的固化,按 固 化 方 式,反应型胶粘剂的固化,乳液型胶的固化,第三章 胶粘剂,3.2 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,剪切力,不均匀扯离力,剥离力,拉伸力,第三章 胶粘剂,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,第三章 胶粘剂,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),第三章 胶粘剂,3.3

5、 粘接原理,吸附理论 静电理论 扩散理论 机械结合理论 化学键理论,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,第三章 胶粘剂,偶极力：极性分子间的引力， 即偶极距间的相互作用力。 式中： 偶极矩 R距离；T绝对温度 K波尔兹曼常数,诱导偶极力：由于受到 极性分子电场的作用而 产生的。 式中： 分子极 化率； 偶极矩 （永久，诱导）,在范氏力中起主要作用,范德华力,色散力：非极性分子 间的作用力。 式中： 分子 电离能,第三章 胶粘剂,吸附理论

6、,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,第三章 胶粘剂,试中： 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,第三章 胶粘剂,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。

7、,第三章 胶粘剂,静电理论,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胶接功；Q电荷表面密度； h放电距离；介质的介电常数 前苏联：Mcbain J W.J Phys Chem，1926，30：114,第三章 胶粘剂,第三章 胶粘剂,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

8、粘附力。 缺点： 不能解释高聚物以外的胶粘现象。,第三章 胶粘剂,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:摩擦力； W：法线压力； H：固体表面的凹凸高度；1/:单位长度的凹凸高度。 缺点： 对非多孔材料黏结无法解释。 前苏联：Mcbain J W.J Phys Chem，1926，30：114,第三章 胶粘剂,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

9、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。 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。,第三章 胶粘剂,其它胶接理论,胶接强度,第三章 胶粘剂,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：胶钉理论（anchoring）；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：通过相互扩散，在分子之间产生分子间的拉引作用力（

10、内聚力）；相1相2密切接触，产生分子间的拉引作用力；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。,总结,第三章 胶粘剂,3.4 如何正确选择胶粘剂,第三章 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,影响胶接强度的因素,第三章 胶粘剂,3.5 各种胶粘剂介绍,第三章 胶粘剂,第三章 胶粘剂,1.无机胶粘剂：即由无机盐、无机酸、无机

11、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9001000） 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,C 磷酸盐类胶粘剂,第三章 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。 特点：固化温度低，使用温度低。与硅酸盐胶粘剂相比,其

12、耐水性较好、固化收缩率小高温强度大 用于：粘接金属、陶瓷、玻璃等。,磷酸盐类胶粘剂（例）,例：氧化铜磷酸盐胶粘剂 氧化铜制备：900oC灼烧一定时间 冷却 研磨200目 磷酸盐制备：Al(OH)3溶解于H3PO4 得外观白色透明的粘性液体（酸性磷酸铝） 胶调剂：酸性磷酸铝比氧化铜粉=1比5 调制均匀 固化条件：涂上，室温放置一段时间后，非常缓慢加热到100oC，保持1h即可。 磷酸胶粘剂能耐-701300高、低温,如果加入高熔点的化合物(氧化锆、氧化铝等),可提高到1500左右。,第三章 胶粘剂,D 硅酸盐类胶粘剂,第三章 胶粘剂,硅酸盐类胶粘剂：一般以碱金属硅酸盐为基料,加入固化剂和填料等配

13、制而成。耐温，耐水、耐油、耐热和电气绝缘性能。 此类式为：M2O.nSiO2.H2O来表示。 M 的金属有Li, Na ,K。 n 为SiO2和H2O的比值，与性能有密切关系。以硅酸钠为例，当n=3 粘接温度最高，当n=5耐水性最小， 耐水性 Li+K+Na+。 应用：金属、陶瓷、玻璃、石材、包装箱等多种物质的粘接，以及有耐热、防火要求的材质的粘接。 最常见硅酸钠，即水玻璃，n=3.2-3.4，对木材、纸张有良好的粘接。,2.天然胶粘剂,A 天然胶粘剂是指由天然有机物制成的胶粘剂 优点：原料易得，使用方便 缺点：粘接力和耐水性等方面均不如合成胶粘剂 B 分类 按原料来源分：矿物胶、动物胶、植物

14、胶 按组成分：淀粉、动植物蛋白、纤维素、天然树脂,第三章 胶粘剂,天然胶粘剂（例1淀粉）,例1： 淀粉胶粘剂 淀粉：是有许多葡萄糖结构单元（C6H10O5）互相连接而成的多糖类聚合物，为粒状。 来源：植物中的种子、果实、叶、块茎、球茎中都会有大量的淀粉。 淀粉分离：溶解于冷水中先膨胀或溶胀，再干燥成粒状分离。 淀粉直接糊化粘接性能很低，直接用途就有限，所以在工业中广泛使用淀粉基胶粘剂一般通过淀粉的降解转化或化学改性制得。,第三章 胶粘剂,常用转化用配合剂有增塑剂、液化剂/溶胶化剂、填料、硼砂、保鲜剂等。 A增塑剂：甘油，二醇类，大豆油，葡萄糖，果汁。 用途：控制胶合成的脆性或调节干燥速度。 B

15、液化剂：氯化钙，尿素，硝酸钠，乙酰胺等。 用途：降低粘度，或控制胶粘时间与干燥速度的助剂，用量5-20% C 填料：粘土，磷酸钙，二氧化钛等 用途：控制与多孔性茎材相关连的渗透性，也可控制淀粉类胶粘剂的固化。用量5-50% D 保鲜剂：甲醛，硫酸铜，硫酸锌，苯甲酸盐等。 用途：杀菌、防霉作用。但要注意毒性，用量0.2-1%,第三章 胶粘剂,E 硼砂：（四硼酸钠） 用途：增粘，提高胶的内聚力和稳定性 原因：硼砂分子同淀粉的羟基相互作用或同游离水分子缔合作用的结果。当加20%硼砂固化强度增大，使操作速度快。 当加入苛性碱直到所有四硼酸钠被转化成偏硼酸钠时，其粘结强度可进一步提高。如碱加过量，反而使

16、粘度下降。,第三章 胶粘剂,第三章 胶粘剂,例：纸箱用耐水胶粘剂,配方：珍球状玉米淀粉 36.3kg+227kg 苛性钠 6.8kg 硼砂 10Mol 苛性碱 6.8kg 脲醛树脂（Casco树脂PR-195） 20.4kg 水 212+689kg 工艺：1.初次混合： 加水 49oC加热 玉米淀粉 5分钟+搅拌 硼砂 苛性钠 15分钟 + 搅拌 加冷水 2.二次混合 上述料加水 在38oC下加热 加玉米淀粉 加脲醛树脂 3.用20-30分钟A组分滴加剂 B组份中滴完至可搅拌15分钟，如太稠，再搅拌10分钟检测，如太稀，可用水稀释,例2纸板箱顶端和底部密封胶配方,第三章 胶粘剂,配方：水 400 磷酸三丁酯 1 硼砂（10mol） 30 白糊精 75 （80%冷水溶性PH3.43.5） 加热到85oC（只使用夹套蒸汽），保温20分钟，冷却到60oC并加入苛性钠（40%溶） 10 甲醛 1 搅拌 10分钟 即可 此胶黏度:10004000MP/S2之间 可用水调节施工粘度。,