胶接基础(1.4)

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1、2018/10/22,1,胶粘剂,郭秀兰,胶 接 基 础,2018/10/22,2,胶接理论发展简史：, 大约3 个世纪前，牛顿对胶接现象作了科学的论述。 大约100 年前，Young 通过表面张力的研究，提出了著名的Young 方程。 稍后，Dupre 研究了表面张力与粘附功的关系，奠定了古典热力学胶接理论的基础。 Cooper 首先提出了湿润的概念。 20 世纪40 年代以来，胶接理论的研究出现了高潮：40 年代，AD. Mclaren等人提出的吸附理论；Deryaguin 等人得出的静电理论；Voyutskii 等人提出的扩散理论，等等。 60 年代以来，胶接界面化学、胶接破坏机理等方面

2、的研究也取得很大进展：建立并逐步完善了化学键理论、弱界面层理论、机械结合理论和胶粘剂流变学理论等。,2018/10/22,3,胶接接头：被胶接材料通过胶粘剂进行连接的 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。,2018/10/22,4,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,2018/10/22,5,(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,2018/10/22,6,(3) 对接接头（butt joint） 被胶接物的两个端面与 被胶

3、接物主表面垂直,2018/10/22,7,(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,2018/10/22,8,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）劈开,2018/10/22,9,拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀分布于整个胶接面。 剪切力：外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上。 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。 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。,2018/10/22,10,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

4、。拉应力包括均匀扯离（正拉）力，不均匀扯 离（劈裂）力和剥离力。,2018/10/22,11,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。,2018/10/22,12,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。,2018/10

5、/22,13,式中Z0是两相达到平衡时的距离；Wa为胶接功。,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 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a表示：,2018/10/22,14,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 =10-5Jcm2，于是a 1500 MPa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

6、两个数量级以上。,2018/10/22,15,1.2 实际的胶接实际的胶接，大多数都要使用胶粘剂，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， 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，这时不需要胶粘剂也可能使聚合物胶接起来。,2018/10/22,16,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 靠胶粘剂来

7、实现胶接。,2018/10/22,17,在胶接过程中，由于胶粘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，胶粘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，胶粘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。,2018/10/22,18,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 胶粘剂在硬化前，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。,2018/1

8、0/22,19,2 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 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。,2018/10/22,20,胶粘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，胶粘剂应当在 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， 能因胶粘剂的润湿和铺展，起填平峰谷的作用，使两个被 粘物表面通过胶粘剂而大面积接触，并达到产生分子作用 力的0.5 nm以下

9、的近程距离。,2018/10/22,21,这就要求要选择能起良好润湿效果的胶粘剂。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，粘接时未排尽或胶粘剂带入的空气泡，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。,2018/10/22,22,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，为接触角，也称为润湿角；SV为固气界面张力；

10、LV为液气界面张力；SL为固液界面张力。 此式应处于热力学平衡状态才有意义。,2018/10/22,23,可从以下几种方式来判断润湿：,（1）从接触角(润湿角)来判断习惯上将液体在固体表面的接触角= 90时定为润湿 与否的分界点。90 为不润湿，90为润湿，接触角越小， 润湿性能越好。,2018/10/22,24,(2) 由Dupre胶接功的方程式来判断润湿Wa =SV + LV - SL （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 SV 、LV 两种表面张力测试麻烦，将式( 1 )代入式( 2 ) 中得：Wa = LV(1 + cos

11、) 此式称为Young-Dupre方程，越小，Wa越大。,2018/10/22,25,(3)用铺展系数来判断润湿铺展系数为S =SV - SL -LV 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 200mNm2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，表面能胶粘剂的LV ，容易铺展润湿； 低能表面的c 一般胶粘剂的LV ，所以不易铺展润 湿。,2018/10/22,27,临界表面张力c较大的被粘物，选择比被粘物c小的 胶粘剂比较容易，有较多的胶粘剂品种可供选择。但c 越小，则越不容易选择能有效润湿的胶粘剂。例如，聚

12、 四氟乙烯(PTFE)的c只有19mNm，很不容易找到表面 张力比这还小的胶粘剂，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低温等离子体进行处理使表面改性，才能进行粘接。,2018/10/22,28,3 界面扩散,胶粘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。,2018/10/22,29,若胶粘剂与高分子材料被粘

13、物的相容性不好，或润湿 性不良，则胶粘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。,2018/10/22,30,利用胶粘剂粘接金属，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，就是胶粘剂 的分子也不可能扩散到金属相里面去。所以，胶粘剂粘 接金属形成的界面是很清晰的。,2018/10/22,31,若对金属表面进行改性，除去松散的氧化层、污染

14、层， 并使之生成疏松多孔状表面，或增加表面的粗糙度，会有 利于胶粘剂分子的扩散、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 的胶粘剂，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。,2018/10/22,32,4 形成胶接键,利用胶粘剂粘接被粘物，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。 胶粘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。,2

15、018/10/22,33,当胶粘剂固化或硬化后，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，胶粘剂与被粘物界面上，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。,2018/10/22,34,第二节 影 响 胶 接 作 用 的 因 素,1 胶粘剂的作用 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。胶粘剂作用的目的之一，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 过胶粘剂产生高度的分子接触，提高胶接强度。,2018/10/22,35,在开始施加胶粘剂的时候，胶粘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，胶粘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。,2018/10/22,36,