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1、第第 一一 章章 胶胶 接接 基基 础础n胶接接头：胶接接头：被胶接材料通过胶黏剂进行被胶接材料通过胶黏剂进行连接的连接的部位部位。n胶接接头胶接接头的的结构形式结构形式很多很多。从接头的从接头的使用功能使用功能、受力情况受力情况出发，有以下几种基本形式出发，有以下几种基本形式。n(2) 面接接头面接接头（surfacejoint）n两个被胶接物主表面胶接两个被胶接物主表面胶接n在一起在一起所形成的接头所形成的接头 n(3) 对接接头（对接接头（butt joint）n被胶接物的两个端面被胶接物的两个端面与n被胶接物主表面垂直被胶接物主表面垂直n在大多数聚合物的分子相互作用，只存在在大多数聚合
2、物的分子相互作用，只存在色散力色散力的情的情况下，一般况下，一般Z0 = 0.2 nm， Wa =10-5Jcm2，于是，于是 a 1500 MPan如果分子相互作用力不仅是色散力，还有如果分子相互作用力不仅是色散力，还有氢键力氢键力，诱诱导力导力甚至甚至化学键力化学键力的话，则值更要大得多。即使如此，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度大两个数量级以上。两个数量级以上。 n为了分析方便，上述为了分析方便，上述四种应力四种应力尚可简化为尚可简化为拉应力拉应力和和剪剪切力切力两类两类。拉应力包括拉应
3、力包括均匀扯离均匀扯离（正拉正拉）力力，不均匀扯不均匀扯离离（劈裂劈裂）力力和和剥离力剥离力。第一节第一节 形成胶接的条件形成胶接的条件1. 胶接的基本过程胶接的基本过程 1.1 理想的胶接理想的胶接n理想的胶接是当两个表面彼此理想的胶接是当两个表面彼此紧密接触紧密接触之后，分子间之后，分子间产生相互作用，达到一定程度而形成产生相互作用，达到一定程度而形成胶接键胶接键，胶接键可能，胶接键可能是是次价键次价键或或主价键主价键，最后达到，最后达到热力学平衡的状态热力学平衡的状态。 不过，由于所需要的压力大，时间长，又要消耗热能，不过，由于所需要的压力大，时间长，又要消耗热能，而且有许多而且有许多降
4、低胶接力降低胶接力的影响因素并未排除，使分子间的影响因素并未排除，使分子间不易达到紧密接触，得到的不易达到紧密接触，得到的胶接强度胶接强度并不理想。并不理想。 金属、无机材料金属、无机材料不存在橡胶态不存在橡胶态，在固态的情况下，即，在固态的情况下，即使加压、加热，也不可能达到分子接触，这就更需要依使加压、加热，也不可能达到分子接触，这就更需要依靠靠胶黏剂胶黏剂来实现胶接。来实现胶接。n理想的胶接强度理想的胶接强度，可以在一些假定的前提下计算出来。，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响胶接强度
5、的实际因素实际因素，所以理想的，所以理想的胶接胶接强度比实际强度比实际测得的测得的胶接胶接强度要强度要大几个数量级大几个数量级。理想的胶接有。理想的胶接有理论理论意义意义，有利于分析理解，有利于分析理解胶接的机理胶接的机理，对实际的，对实际的胶接胶接过过程有重要的程有重要的指导意义指导意义。n接头接头胶层胶层在在外力作用外力作用时时，有有四种受力情况四种受力情况。（a）正拉正拉（b）剪切剪切 （c）剥离剥离（d）劈开劈开n在胶接过程中，由于胶黏剂的在胶接过程中，由于胶黏剂的流动性流动性和和较小的表面较小的表面张力张力，对被粘物表面产生，对被粘物表面产生润湿作用润湿作用，使界面分子紧密接，使界面
6、分子紧密接触，胶黏剂分子通过触，胶黏剂分子通过自身的运动自身的运动，建立起最合适的构型，建立起最合适的构型，达到达到吸附平衡吸附平衡。 随后，胶黏剂分子对被粘物表面进行随后，胶黏剂分子对被粘物表面进行跨跨越界面的扩散作用越界面的扩散作用，形成，形成扩散界面区扩散界面区。 对高分子被粘物而言，这种扩散是对高分子被粘物而言，这种扩散是相互进行相互进行的；金的；金属或无机物由于受结晶结构的约束，分子较难运动，但属或无机物由于受结晶结构的约束，分子较难运动，但胶黏剂在硬化前，分子可以扩散到表面氧化层的微孔中胶黏剂在硬化前，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，最后仍能形成以去，达到分
7、子的紧密接触，最后仍能形成以次价力次价力为主为主的或的或化学键化学键的胶接键。这就是的胶接键。这就是胶接的基本过程胶接的基本过程。全过程。全过程的关键作用是的关键作用是润湿润湿、扩散扩散和和形成胶接键形成胶接键。2 润湿润湿n为形成良好的为形成良好的胶接胶接，首先要求，首先要求胶粘剂胶粘剂分子和被胶接材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分子充分接触。为此，一般要将被胶接体表面的空气空气、或者或者水蒸气水蒸气等气体排除，使胶粘剂液体和被胶接材接等气体排除，使胶粘剂液体和被胶接材接触。即将触。即将气气固界面固界面转换成转换成液液固固界面，这种现象叫做界面，这种现象叫做润湿润湿
8、，其润湿能力叫做润湿性。，其润湿能力叫做润湿性。 n胶黏剂在涂胶阶段应当具有较好的胶黏剂在涂胶阶段应当具有较好的流动性流动性，而且其表面，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被粘物表面产生润湿润湿，能，能自动铺展自动铺展到被粘物表面上。到被粘物表面上。n当被粘物表面存在凹凸不平和峰谷的粗糙表面形貌时，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，起能因胶黏剂的润湿和铺展，起填平峰谷填平峰谷的作用，使两个被的作用，使两个被粘物表面通过胶黏剂而粘物表面通过胶黏剂而大面积接触大面积接触，
9、并达到产生，并达到产生分子作用分子作用力力的的0.5 nm以下的近程距离。以下的近程距离。 这就要求要选择能起这就要求要选择能起良好润湿效果良好润湿效果的胶黏剂。同时，也的胶黏剂。同时，也要求被粘物表面事先要进行必要的要求被粘物表面事先要进行必要的清洁清洁和和表面处理表面处理，达到最，达到最宜润湿与胶接的表面状态。要宜润湿与胶接的表面状态。要尽量避免润湿不良尽量避免润湿不良的情况。的情况。 如果被粘物表面出现润湿不良的如果被粘物表面出现润湿不良的界面缺陷界面缺陷，则在缺陷的周，则在缺陷的周围就会发生围就会发生应力集中应力集中的局部受力状态；此外，表面未润湿的的局部受力状态；此外，表面未润湿的微
10、细孔穴，粘接时未排尽或胶黏剂带入的微细孔穴，粘接时未排尽或胶黏剂带入的空气泡空气泡，以及材料，以及材料局部的局部的不均匀性不均匀性，都可能引起润湿不良的，都可能引起润湿不良的界面缺陷界面缺陷，这些都，这些都应尽量排除。应尽量排除。气液接触时的三种状态 不润湿 部分润湿（临界） 完全润湿 n判断润湿性判断润湿性可用可用接触角接触角来衡量，这可用来衡量，这可用Young方程来方程来表示：表示： SV = LV cos + SL（1）式中，式中，为接触角，也称为润湿角；为接触角，也称为润湿角；SV为固气界面张力；为固气界面张力；LV为液气界面张力；为液气界面张力；SL为固液界面张力。为固液界面张力。
11、n此式应处于此式应处于热力学平衡状态热力学平衡状态才有意义。才有意义。可从以下几种方式来可从以下几种方式来判断润湿判断润湿：（1）从）从接触角接触角(润湿角润湿角)来判断来判断 习惯上将液体在固体表面的接触角习惯上将液体在固体表面的接触角= 90 时定为润湿时定为润湿与否的分界点。与否的分界点。 90 为为不润湿不润湿，90 为为润湿润湿，接触角，接触角越小越小，润湿性能越好。润湿性能越好。 (2) 由由Dupre胶接功胶接功的方程式来判断润湿的方程式来判断润湿 Wa =SV + LV - SL （2） 式中式中Wa为为胶接功胶接功，是表征胶接性能的热力学参数。，是表征胶接性能的热力学参数。
12、胶接功的定义：胶接功的定义：在液固接触体系中，界面受到两边分在液固接触体系中，界面受到两边分子力的作用而存在吸附作用，分离界面两相吸附作用子力的作用而存在吸附作用，分离界面两相吸附作用所需的功称为粘附功所需的功称为粘附功WA 。 一般一般Wa值越大，胶接力也越大，值越大，胶接力也越大，润湿性润湿性越好。因为越好。因为SV 、LV 两种表面张力两种表面张力测试麻烦测试麻烦，将式，将式( 1 )代入式代入式( 2 )中得：中得： Wa = LV(1 + cos) 此式称为此式称为Young-Dupre方程方程，越小，越小，Wa越大。越大。n(3)用用铺展系数铺展系数来判断润湿来判断润湿 铺展系数的
13、定义：铺展系数的定义：当液体滴到固体表面后，新生的液当液体滴到固体表面后，新生的液-固界面在取代气固界面在取代气-固界面的同时，气固界面的同时，气-液界面也扩大了液界面也扩大了同样的面积，这一过程叫做铺展。同样的面积，这一过程叫做铺展。 铺展系数铺展系数为为 S =SV - SL -LV nZisman（奇思曼）（奇思曼）将固体表面分为将固体表面分为高能表面高能表面和和低能表低能表面面。凡表面能。凡表面能200mNm2为为高能表面高能表面，金属、金属，金属、金属氧化物和无机化合物的表面，都是高能表面，表面能氧化物和无机化合物的表面，都是高能表面，表面能胶黏剂胶黏剂的的LV ，容易铺展润湿容易铺
14、展润湿；低能表面的；低能表面的c 一般胶黏剂的一般胶黏剂的LV ，所以，所以不易铺展润湿不易铺展润湿。n临界表面张力临界表面张力c较大的被粘物，选择比被粘物较大的被粘物，选择比被粘物c小的小的胶黏剂比较容易，有较多的胶黏剂品种可供选择。但胶黏剂比较容易，有较多的胶黏剂品种可供选择。但c 越小越小，则越不容易选择能有效润湿的胶黏剂。例如，则越不容易选择能有效润湿的胶黏剂。例如，聚聚四氟乙烯四氟乙烯(PTFE)的的c只有只有19mNm，很不容易找到表面，很不容易找到表面张力比这还小的胶黏剂，所以张力比这还小的胶黏剂，所以PTFE具有具有难粘的特性难粘的特性，利，利用这一特性，将用这一特性，将PTF
15、E热喷涂于热喷涂于锅面锅面，就可以制成不粘，就可以制成不粘锅。锅。 要想粘接要想粘接PTFE，只有利用，只有利用钠钠-萘溶液萘溶液进行化学处理或利进行化学处理或利用用低温等离子体低温等离子体进行处理使表面改性，才能进行粘接。进行处理使表面改性，才能进行粘接。n临界表面张力临界表面张力c的定义：的定义：Zisman根据各种同系列液体对根据各种同系列液体对某一种固体的浸润角呈有序变化这一规律，测定各种某一种固体的浸润角呈有序变化这一规律，测定各种液体在某一固体表面上的接触角液体在某一固体表面上的接触角，以，以LV 对对cos 作图作图得一直线，将其外推到得一直线，将其外推到cos =1（=0：完全
16、浸润）处，：完全浸润）处，此时的此时的LV 即为临界表面张力。即为临界表面张力。3 界面扩散界面扩散n 胶黏剂分子胶黏剂分子或或分子链段分子链段与处于与处于熔融熔融或或表面溶胀状态表面溶胀状态的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扩散，界面会变成，界面会变成模糊的弥散状模糊的弥散状，两种分子也可能产生，两种分子也可能产生互互穿的缠绕穿的缠绕。这时，虽然分子间只有。这时，虽然分子间只有色散力色散力的相互作用，也的相互作用，也有可能达到有可能达到相当高相当高的胶接强度。的胶接强度。 利用胶黏剂利用胶黏剂粘接金属粘接金属，由于金属
17、分子是以金属键紧密，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，而且结合起来的，分子的位置固定不变，而且金属分子金属分子排列排列规整，有序性高，大多数能生成规整，有序性高，大多数能生成晶体晶体构造，密度大而结构造，密度大而结构致密，不但金属分子不能发生构致密，不但金属分子不能发生扩散扩散作用，就是作用，就是胶黏剂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接金属形成的界面界面是很清晰的。是很清晰的。 n若对若对金属金属表面进行改性，除去松散的表面进行改性，除去松散的氧化层、污染层，氧化层、污染层，并使之生成疏松
18、多孔状表面，或增加表面的并使之生成疏松多孔状表面，或增加表面的粗糙度粗糙度，会有，会有利于胶黏剂分子的利于胶黏剂分子的扩散扩散、渗透渗透或或相互咬合相互咬合，有可能提高，有可能提高胶胶接强度接强度。另外，选择。另外，选择强极性强极性的或能与金属表面产生的或能与金属表面产生化学键化学键的胶黏剂，也能提高的胶黏剂，也能提高胶接强度胶接强度。借助。借助偶联剂偶联剂的作用，也是的作用，也是提高提高胶接强度胶接强度的有效方法。的有效方法。4 形成胶接键形成胶接键n利用胶黏剂粘接被粘物，最终的目的是形成具有一定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强度能满足使用要求的胶接接头胶
19、接接头。润湿润湿和和扩散扩散是胶接是胶接过程中出现的现象，其质量直接影响胶接键的强度。过程中出现的现象，其质量直接影响胶接键的强度。n胶黏剂胶黏剂润湿润湿被粘物并发生被粘物并发生扩散扩散，在界面上两种分子间，在界面上两种分子间产生产生相互作用相互作用，当分子间的距离达到分子作用半径的，当分子间的距离达到分子作用半径的0.5nm以下时，会生成以下时，会生成物理吸附键物理吸附键，即，即次价键次价键。如表。如表面发生面发生化学吸咐化学吸咐，则生成，则生成化学键化学键。n 当胶黏剂当胶黏剂固化固化或或硬化硬化后，生成的后，生成的胶接键胶接键即被固定下来而即被固定下来而保有强度。要获得保有强度。要获得高
20、强度的胶接接头高强度的胶接接头，首先，首先必要的条件必要的条件是在是在界面处要能建立界面处要能建立分子级分子级的紧密接触，分子的距离一般应小于的紧密接触，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。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，形成用，形成分子间的缠结分子间的缠结，这有利于提高强度。为提高胶接强，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度，还必须掌握影响强度的一系列因素因素，并加以控制。，并加以控制。第二节第二节 影影 响响 胶胶
21、接接 作作 用用 的的 因因 素素1 胶黏剂的作用胶黏剂的作用 n 绝大多数绝大多数固体表面固体表面，从微观的尺度来看，是凹凸不平，从微观的尺度来看，是凹凸不平的，将这样的表面迭合起来，只有的，将这样的表面迭合起来，只有很小的点面很小的点面能相互接能相互接触，大部分的表面都不能接触。因此触，大部分的表面都不能接触。因此分子的总吸引力分子的总吸引力很很小，很容易被分开。胶黏剂小，很容易被分开。胶黏剂作用的目的作用的目的之一，就在于可将之一，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，通过胶黏剂产生过胶黏剂产生高度的分子接触高度的分子
22、接触，提高胶接强度。，提高胶接强度。n在开始在开始施加胶黏剂施加胶黏剂的时候，胶黏剂应当具有较好的的时候，胶黏剂应当具有较好的流流n动性动性和和润湿性润湿性，这样才能对固体表面产生良好的，这样才能对固体表面产生良好的润湿润湿n铺展铺展，起到填充凹凸不平表面的作用。然后，胶黏剂，起到填充凹凸不平表面的作用。然后，胶黏剂n又应当能够又应当能够向界面扩散向界面扩散，并在恰当的时间发生，并在恰当的时间发生固化固化或或n硬化硬化，具有较高的内聚强度，能经受较大的外力作用。，具有较高的内聚强度，能经受较大的外力作用。n不同的胶黏剂品种，有各种不同的固化或硬化方式。不同的胶黏剂品种，有各种不同的固化或硬化方
23、式。n溶剂型胶黏剂溶剂型胶黏剂是通过是通过溶剂的蒸发溶剂的蒸发或或扩散扩散、渗透渗透而固化；而固化；n热熔型胶黏剂热熔型胶黏剂是通过是通过降低温度降低温度而固化；而固化；n化学反应型胶黏剂化学反应型胶黏剂则是在一定的温度则是在一定的温度(通常是升温通常是升温)下，下，通过内部产生通过内部产生聚合聚合或或缩聚反应缩聚反应而固化。而固化。2 粘度粘度n 无论哪一种类型的胶黏剂，在使用的时候，均要保持无论哪一种类型的胶黏剂，在使用的时候，均要保持较小的粘度较小的粘度，以利于，以利于润湿润湿、铺展铺展和和均匀地分布均匀地分布到被粘物到被粘物表面；同时还要求胶黏剂有表面；同时还要求胶黏剂有较小的表面张力
24、较小的表面张力，才可能有，才可能有较好的较好的润湿润湿效果，自发地铺展于凹凸不平的基体表面效果，自发地铺展于凹凸不平的基体表面上，形成上，形成良好良好的分子接触。的分子接触。（1）分子量）分子量n液体的粘度液体的粘度是由于液体的是由于液体的分子之间分子之间受到运动的影响而受到运动的影响而产生产生内摩擦阻力内摩擦阻力的表现。它除了受溶液浓度的影响以的表现。它除了受溶液浓度的影响以外，主要受外，主要受分子量分子量的影响：的影响：式中，式中，为高分子溶液的特性粘度；为高分子溶液的特性粘度；M为平均分子量；为平均分子量；K、a为两个与体系有关的常数。为两个与体系有关的常数。（2）溶剂溶剂n一般来说，同
25、一高分子在一般来说，同一高分子在良溶剂良溶剂中的中的黏度黏度，要比在，要比在不不良溶剂良溶剂中的高一些。中的高一些。（3）温度温度n随着温度的升高粘度下降。热熔胶的熔融粘度受随着温度的升高粘度下降。热熔胶的熔融粘度受温度温度的影响更为明显。的影响更为明显。n粘度粘度影响高分子和被粘物表面接触的紧密程度。影响高分子和被粘物表面接触的紧密程度。n粘度低粘度低，胶黏剂，胶黏剂较易润湿铺展较易润湿铺展，分子接触紧密，可得，分子接触紧密，可得到较高的胶接强度。但是，到较高的胶接强度。但是，粘度过低粘度过低，虽然利于润湿铺，虽然利于润湿铺展，但也展，但也易于流淌易于流淌，且内聚强度不会太高。，且内聚强度不
26、会太高。n 溶剂型胶黏剂溶剂型胶黏剂的粘度如果太低，当溶剂蒸发时，收的粘度如果太低，当溶剂蒸发时，收缩大，应力集中较严重，胶接强度反而降低。缩大，应力集中较严重，胶接强度反而降低。n 热熔型胶黏剂热熔型胶黏剂会因为和被粘物之间会因为和被粘物之间热膨胀系数热膨胀系数的差的差别，冷却时引起应力集中。所以，在调制或选择胶黏剂别，冷却时引起应力集中。所以，在调制或选择胶黏剂时，需要综合考虑各种影响，设计时，需要综合考虑各种影响，设计最佳的粘度最佳的粘度。 n 胶黏剂的胶黏剂的粘度粘度应当是随着胶接过程的推进而应当是随着胶接过程的推进而逐步升逐步升高高，最终，最终硬化硬化或或固化固化。胶黏剂在低粘度状态
27、时的。胶黏剂在低粘度状态时的时间久一时间久一点点，可以增加接触的程度和胶接强度。从实用观点出发，可以增加接触的程度和胶接强度。从实用观点出发，绝大多数胶黏剂至少应在绝大多数胶黏剂至少应在几分钟之内几分钟之内保持相当的保持相当的流动性流动性。 对对大面积大面积一次粘接时，则希望保持流动性的时间略长一次粘接时，则希望保持流动性的时间略长一点，以便顺利完成大面积的均匀涂胶。一点，以便顺利完成大面积的均匀涂胶。 n一次一次粘接面较小粘接面较小的，则保持低粘度时间可短一点，如的，则保持低粘度时间可短一点，如氰基丙烯酸酯类胶黏剂氰基丙烯酸酯类胶黏剂，多用于小面积快速胶接，多用于小面积快速胶接，保持低粘度时
28、间只需几秒或几十秒。保持低粘度时间只需几秒或几十秒。n胶黏剂胶黏剂处于流动状态的时间处于流动状态的时间，是胶接过程的，是胶接过程的重要参数重要参数之一，也是胶黏剂控制适用期的之一，也是胶黏剂控制适用期的重要因素重要因素。根据所要求。根据所要求的胶接水平，综合考虑胶黏剂的粘度及保持流动性的时的胶接水平，综合考虑胶黏剂的粘度及保持流动性的时间是很重要的。间是很重要的。3 表面能表面能n胶黏剂与基体之间的胶黏剂与基体之间的接触程度接触程度也受到也受到表面能表面能的影响。的影响。nZisman曾经指出，曾经指出，接触角接触角对衡量接触程度是有用的量对衡量接触程度是有用的量度。度。n 液体胶黏剂液体胶黏
29、剂和高表面能固体之间的和高表面能固体之间的分子相互作用能分子相互作用能，般都超过液体分子本身的般都超过液体分子本身的内聚能内聚能。n 金属、金属氧化物和各种无机物都是金属、金属氧化物和各种无机物都是高能表面高能表面，如，如与其接触的液体或胶黏剂的粘度很低，表面张力也低与其接触的液体或胶黏剂的粘度很低，表面张力也低,则则其接触角很小，可以其接触角很小，可以自动润湿铺展自动润湿铺展，分子相互接触紧，分子相互接触紧密，胶接强度可能高。密，胶接强度可能高。n 反之，许多反之，许多极性的极性的液体胶黏剂和液体胶黏剂和非极性非极性的聚乙烯或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其他聚合物，由
30、于低能表面以及和液体胶黏剂的极性不极性不相匹配相匹配，形成的接触角大，胶接效果不好，胶接强度也，形成的接触角大，胶接效果不好，胶接强度也不会高。不会高。 实践证明，凡是实践证明，凡是液体液体或或胶黏剂表面张力胶黏剂表面张力低于基体表面低于基体表面张力，就会表现出张力，就会表现出良好的润湿铺展效果良好的润湿铺展效果，并且分子接触比，并且分子接触比较紧密，意味着会出现较高的胶接强度。较紧密，意味着会出现较高的胶接强度。 非极性聚合物非极性聚合物如如聚乙烯聚乙烯和和聚四氟乙烯聚四氟乙烯的表面能和临界的表面能和临界表面张力分别为表面张力分别为s = 35.7、23.9 mNm， c =31.19 mN
31、m，低于一般低于一般胶黏剂的表面张力胶黏剂的表面张力值值(7833 mNm)，所，所以润湿与胶接的效果均不好。只有进行以润湿与胶接的效果均不好。只有进行表面改性表面改性，提高表，提高表面能，才能满足胶接要求。面能，才能满足胶接要求。4 弱边界层弱边界层n胶黏剂与被粘物之间，应当有胶黏剂与被粘物之间，应当有良好的分子接触良好的分子接触，才能，才能达到较高的胶接强度。如在达到较高的胶接强度。如在胶接接头内胶接接头内，存在，存在相当低相当低的强度区域的强度区域，那末，即使胶黏剂与被粘物之间有良好，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。的接触，接头强度也并不会很高。n边界层边
32、界层主要是指主要是指固体固体、液体、气体紧密接触的边缘部液体、气体紧密接触的边缘部分分，从物理角度看，通常是指流经固体表面最接近的，从物理角度看，通常是指流经固体表面最接近的流体层流体层，对传热、传质和动量均有特殊影响，但没有，对传热、传质和动量均有特殊影响，但没有独立的相，这一点和独立的相，这一点和界面界面是有一定区别的。如边界层是有一定区别的。如边界层内存在内存在低强度低强度区域，则称为区域，则称为弱边界层弱边界层。 n 聚合物基体内，聚合物基体内，形成弱边界层的原因形成弱边界层的原因，可能有以下几，可能有以下几种：种： 聚合过程所带入的聚合过程所带入的杂质杂质影响，如从聚合反应釜中掉影响
33、，如从聚合反应釜中掉进去的进去的润滑油润滑油，这是低分子量的有机杂质；，这是低分子量的有机杂质； 聚合过程未全部转化的聚合过程未全部转化的残余低分子量尾料残余低分子量尾料； 加入的加入的抗氧剂抗氧剂、增塑剂增塑剂、紫外光吸收剂紫外光吸收剂、润滑剂润滑剂等等低低分子量助剂分子量助剂的影响；的影响；成型加工过程中带入的成型加工过程中带入的杂质杂质，如，如脱模剂脱模剂的影响；的影响；商品在贮存运输过程中，不慎带入的商品在贮存运输过程中，不慎带入的杂质杂质。第三节第三节 胶胶 接接 理理 论论n了解了解胶接理论胶接理论，不但可以从理论上指导胶黏剂选择，不但可以从理论上指导胶黏剂选择，胶接接头的设计，制
34、定最佳的胶接工艺，控制影响胶接强胶接接头的设计，制定最佳的胶接工艺，控制影响胶接强度的各种因素，达到形成强力胶接接头的目的。度的各种因素，达到形成强力胶接接头的目的。 更重要的是了解胶接的内在机理，包括更重要的是了解胶接的内在机理，包括胶接胶接与与被粘被粘对立对立统一的关系，胶接过程中的统一的关系，胶接过程中的物理物理、化学变化化学变化，从而对胶接，从而对胶接现象，从感性认识深化到本质与规律性的理性认识。现象，从感性认识深化到本质与规律性的理性认识。n经过几十年的研究和发展，许多学者从不同的角度，经过几十年的研究和发展，许多学者从不同的角度，提出了许多有价值的提出了许多有价值的理论理论。虽然这
35、些理论。虽然这些理论尚有争论尚有争论，还没有公认的统一理论，但在解释胶接现象方面，还没有公认的统一理论，但在解释胶接现象方面，均均各有可取的观点各有可取的观点，目前仍在不断地发展与完善中。，目前仍在不断地发展与完善中。n1 机械结合理论机械结合理论n 这是一种较早的这是一种较早的最直观最直观的的宏观理论宏观理论。认为被粘物表。认为被粘物表面的面的不规则性不规则性，如高低不平的峰谷或疏松孔隙结构，有，如高低不平的峰谷或疏松孔隙结构，有利于胶黏剂的填入，固化后胶黏剂和被粘物表面发生咬利于胶黏剂的填入，固化后胶黏剂和被粘物表面发生咬合而固定。这就是机械结合理论最简单的解释。合而固定。这就是机械结合理
36、论最简单的解释。nMcBain在在30年代首先提出这一理论。机械嵌定的固定年代首先提出这一理论。机械嵌定的固定方法应用很普遍，表面处理过的金属粘接，方法应用很普遍，表面处理过的金属粘接，多孔物质多孔物质如如纸、木材、皮革、纺织品等的胶接就是实际的例子。纸、木材、皮革、纺织品等的胶接就是实际的例子。 机械结合的关键机械结合的关键是被粘物表面必须有大量的凹穴、槽是被粘物表面必须有大量的凹穴、槽沟、多孔穴等，当胶黏剂涂布上去时，经过润湿、流动、沟、多孔穴等，当胶黏剂涂布上去时，经过润湿、流动、挤压、铺展而填入这些孔穴内，固化后，就嵌定在孔隙中挤压、铺展而填入这些孔穴内，固化后，就嵌定在孔隙中而紧密地
37、结合起来，表现出较高的胶接强度。而紧密地结合起来，表现出较高的胶接强度。n机械结合理论曾经起过机械结合理论曾经起过积极作用积极作用，但是随着其他胶接，但是随着其他胶接理论的建立和发展，几乎一度被冷落。近理论的建立和发展，几乎一度被冷落。近20年来，用现年来，用现代微观研究仪器的观测结果，证明代微观研究仪器的观测结果，证明微机械嵌定作用微机械嵌定作用是确是确实存在的。实存在的。 如在如在ABS塑料塑料上上镀金属镀金属，镀前先用溶剂处理，使塑料，镀前先用溶剂处理，使塑料表面产生大量微穴，然后沉积导电物质到微孔中，再进表面产生大量微穴，然后沉积导电物质到微孔中，再进行电镀。行电镀。n金属铝金属铝的胶
38、接强度一般不太高，经的胶接强度一般不太高，经HCl液或化学氧化液或化学氧化液处理后，生成大量液处理后，生成大量立体结晶构造立体结晶构造，带有大量，带有大量槽沟槽沟和和微穴微穴，胶接强度有显著提高。，胶接强度有显著提高。钢带钢带表面轧制的光滑面，表面轧制的光滑面，直接的胶接强度并不高，经直接的胶接强度并不高，经磷酸盐处理磷酸盐处理后，产生大量后，产生大量磷酸铁微孔磷酸铁微孔，胶接强度明显提高。，胶接强度明显提高。2 吸附理论吸附理论n吸附理论的吸附理论的基本观点基本观点是：胶接是一种是：胶接是一种吸附作用吸附作用，这是，这是最早提出并被大多数科学家接受的。最早提出并被大多数科学家接受的。 吸附理
39、论吸附理论认为，胶接产生的黏附力主要来源于胶黏剂认为，胶接产生的黏附力主要来源于胶黏剂与被粘物之间界面上与被粘物之间界面上两种分子之间相互作用两种分子之间相互作用的结果，所的结果，所有的液体有的液体固体分子之间都存在这种固体分子之间都存在这种作用力作用力，这些作，这些作用力包括用力包括化学键力化学键力、范德华力和、范德华力和氢键力氢键力。n这个这个过程过程是，首先胶黏剂分子由是，首先胶黏剂分子由布朗运动布朗运动向被粘物表向被粘物表面移动，胶黏剂分子的面移动，胶黏剂分子的极性基团极性基团向被粘物的极性部分靠向被粘物的极性部分靠近，当胶黏剂分子与被粘物分子间的距离近，当胶黏剂分子与被粘物分子间的距
40、离小于小于0.5nm时，时，分子间就产生了范德华力或氢键力的结合。分子间就产生了范德华力或氢键力的结合。吸附理论把吸附理论把胶接胶接主要归结于胶黏剂与被粘物主要归结于胶黏剂与被粘物分子间力分子间力的作用。的作用。 n根据吸附理论，如果胶黏剂分子中根据吸附理论，如果胶黏剂分子中极性基团极性基团的极性越的极性越大，数量越多，则对大，数量越多，则对极性被粘物极性被粘物的胶接强度就越高；的胶接强度就越高；极极性性胶黏剂与胶黏剂与非极性非极性被粘物或被粘物或非极性非极性胶黏剂与胶黏剂与极性极性被粘物被粘物胶接，由于分子间排斥，不利于分子的接近，不能产生胶接，由于分子间排斥，不利于分子的接近，不能产生足够
41、的分子间力，所以胶接力很差；而足够的分子间力，所以胶接力很差；而非极性非极性胶黏剂与胶黏剂与非极性非极性被粘物结合，由色散力产生的胶接强度较小。被粘物结合，由色散力产生的胶接强度较小。n3 扩散理论扩散理论 扩散理论认为，高分子材料之间的扩散理论认为，高分子材料之间的胶接胶接是由于胶黏剂是由于胶黏剂与被粘物表面分子或链段彼此之间处于不停的热运动引与被粘物表面分子或链段彼此之间处于不停的热运动引起的起的相互扩散作用相互扩散作用，使胶黏剂与被粘物之间的界面逐步，使胶黏剂与被粘物之间的界面逐步消失，形成相互交织的牢固结合，胶接接头的消失，形成相互交织的牢固结合，胶接接头的强度强度随时随时间的间的延长
42、延长而增至而增至最大值最大值。 n如果胶黏剂是以如果胶黏剂是以溶剂溶剂的形式涂敷到被粘物表面，而的形式涂敷到被粘物表面，而被被粘物表面粘物表面又能在此溶剂中又能在此溶剂中溶胀或溶解溶胀或溶解，则彼此间的扩散，则彼此间的扩散作用更为显著，其胶接强度就越高。因为胶黏剂和被粘作用更为显著，其胶接强度就越高。因为胶黏剂和被粘物间的物间的相互扩散相互扩散是产生胶接力的主要因素，是产生胶接力的主要因素，胶接强度胶接强度与与它们的它们的相容性相容性有关。有关。 n高分子材料之间的高分子材料之间的胶接胶接可以分为可以分为同种同种高分子材料的高分子材料的自自粘粘和和不同种不同种高分子材料的高分子材料的互粘互粘。
43、前者是同种分子间的扩。前者是同种分子间的扩散，后者是不同类分子的扩散。散，后者是不同类分子的扩散。两种扩散两种扩散的结果都会使的结果都会使胶黏剂与被粘物分子交织在一起，从而形成牢固的结合。胶黏剂与被粘物分子交织在一起，从而形成牢固的结合。n4 化学键理论化学键理论n该理论认为，该理论认为，胶接作用胶接作用是由于胶黏剂与被粘物之间的是由于胶黏剂与被粘物之间的化学结合力化学结合力而产生的，有些胶黏剂能与被粘物表面的某而产生的，有些胶黏剂能与被粘物表面的某些分子或基团形成些分子或基团形成化学键化学键。化学键是分子中相邻两原子。化学键是分子中相邻两原子之间的强烈吸引力，一般之间的强烈吸引力，一般化学键
44、化学键要比分子间的要比分子间的范德华力范德华力大一两个数量级，这种化学键的结合十分牢固。大一两个数量级，这种化学键的结合十分牢固。 n5 静电理论（双电层理论静电理论（双电层理论 ）n双电层理论是将胶黏剂与被粘物视作一个双电层理论是将胶黏剂与被粘物视作一个电容器电容器。电。电容器的两块夹板就是容器的两块夹板就是双电层双电层。即当两种不同的材料接触。即当两种不同的材料接触时，胶黏剂分子中官能团的时，胶黏剂分子中官能团的电子电子通过分界线或一相极性通过分界线或一相极性基向另一相表面基向另一相表面定向吸附定向吸附，形成了，形成了双电层双电层。n由于由于双电层双电层的存在，欲分离双电层的的存在，欲分离
45、双电层的两个极板两个极板，就必，就必须克服须克服静电力静电力。当被粘物与胶黏剂剥离时，可以视为两。当被粘物与胶黏剂剥离时，可以视为两块极板的分离，此时两极之间便产生了块极板的分离，此时两极之间便产生了电位差电位差，并随着，并随着极板间的极板间的距离距离增大而增大，到一定极限值时，便产生了增大而增大，到一定极限值时，便产生了放电现象。放电现象。 由于由于双电层双电层的形成，胶黏剂与被粘物之间就有静电的形成，胶黏剂与被粘物之间就有静电力产生，从而产生了力产生，从而产生了胶接力胶接力。n双电层双电层理论只存在于能形成理论只存在于能形成双电层双电层的胶接体系，不的胶接体系，不具有普遍性，并且双电层所产
46、生的具有普遍性，并且双电层所产生的静电力静电力即使存在于某即使存在于某些胶接体系中，但是，它在这个胶接中些胶接体系中，但是，它在这个胶接中绝不是绝不是起起主导主导作作用的，它只占整个胶接力的用的，它只占整个胶接力的一部分一部分。n生成配位键既需要有生成配位键既需要有提供未共享电子对提供未共享电子对的一方，又需的一方，又需要有要有接受电子对接受电子对的一方。就是说比较理想的胶接应当是，的一方。就是说比较理想的胶接应当是，当当被胶接材料被胶接材料是是电子供给体电子供给体则应采用则应采用电子接受体电子接受体材料的材料的胶胶黏剂黏剂进行胶接；当被胶接材料是进行胶接；当被胶接材料是电子接受体电子接受体，
47、则应采用，则应采用电电子供给体子供给体的胶黏剂进行胶接。如果在的胶黏剂进行胶接。如果在胶接胶接中，胶黏剂与被中，胶黏剂与被胶接材料均能胶接材料均能提供电子对提供电子对或均为或均为接受电子对接受电子对的一方，则胶的一方，则胶接就很难成功。接就很难成功。 总结性评价总结性评价n 自自1920年以来，人们已经提出了多种胶接理论。年以来，人们已经提出了多种胶接理论。每种理论都有大量每种理论都有大量实验为依据实验为依据，只是研究的，只是研究的角角度、度、实验方法实验方法、实验条件、实验条件各有不同，但目标都各有不同，但目标都是为追求形成是为追求形成胶接现象胶接现象的本质。另外，还有的本质。另外，还有弱弱
48、边界层理论边界层理论、流变理论流变理论也在研究中，各种理论也在研究中，各种理论研究继续向纵深发展。研究继续向纵深发展。n 研究手段研究手段的发展，提高了人们认识事物深度的发展，提高了人们认识事物深度与广度的能力。与广度的能力。胶接科学技术胶接科学技术已广泛应用于已广泛应用于工农业生产、国防高新科技和日常生活中，工农业生产、国防高新科技和日常生活中，这也促进了研究这也促进了研究胶接机理胶接机理的迫切性。各派理的迫切性。各派理论已开始逐步靠近，由独立分散而逐步结合。论已开始逐步靠近，由独立分散而逐步结合。n吸附理论吸附理论采纳了扩散理论采纳了扩散理论，更加合理地解释了润湿、扩，更加合理地解释了润湿
49、、扩散、胶接键成键过程；散、胶接键成键过程；n酸碱相互作用理论酸碱相互作用理论，本身就是，本身就是吸附理论吸附理论深化的发展，是深化的发展，是胶接功的主要贡献部分；胶接功的主要贡献部分；n化学键理论化学键理论是从是从吸附理论吸附理论衍生出来的，除了衍生出来的，除了成键机理成键机理有有其独特之处以外，其余都离不开其独特之处以外，其余都离不开吸附理论吸附理论的基本内容；的基本内容；n静电理论静电理论吸取了吸取了酸碱相互作用酸碱相互作用给体与受体的观念，从而给体与受体的观念，从而有了更进一步的发展。有了更进一步的发展。 n胶接理论胶接理论至今还未发展成统一的理论，对各派理论可至今还未发展成统一的理论
50、，对各派理论可采取综合理解，兼收并蓄，灵活运用的原则，充分调动采取综合理解，兼收并蓄，灵活运用的原则，充分调动提高提高胶接强度胶接强度的一切有利因素，避免的一切有利因素，避免降低降低分子作用力的分子作用力的不利因素。不利因素。n由于每一种由于每一种理论理论都有一定的依据，可以认为都有一定的依据，可以认为胶接胶接是多是多种因素构成的，并具有种因素构成的，并具有协同关系协同关系。n 不妨设想不妨设想总胶接功总胶接功是是各理论胶接功的总合各理论胶接功的总合，列出如，列出如下的表达式下的表达式 式中，式中，W总总为总胶接功；为总胶接功；Wad为物理吸附功；为物理吸附功；Wab为酸碱为酸碱相互作用功；相
51、互作用功；Wc为化学键功；为化学键功；Wd为扩散功；为扩散功； We为静电为静电作用功；作用功；Wm为机械功。为机械功。 n纳米胶黏剂纳米胶黏剂n纳米材料是一种新材料，是由纳米量级的晶态或非晶纳米材料是一种新材料，是由纳米量级的晶态或非晶态超细材料构成的固态物质。由于其尺寸小、比表面积态超细材料构成的固态物质。由于其尺寸小、比表面积大以及独特的固体结构，使其具有高强度、高韧性、高大以及独特的固体结构，使其具有高强度、高韧性、高比热、高导电、高导磁性等。比热、高导电、高导磁性等。n在胶黏剂领域，用溶胶、凝胶技术制备具有纳米尺度在胶黏剂领域，用溶胶、凝胶技术制备具有纳米尺度的的SiO2充填环氧树脂
52、。充填环氧树脂。n在环氧树脂胶黏剂中加入在环氧树脂胶黏剂中加入8%的纳米金刚石粉，胶层的纳米金刚石粉，胶层的耐磨性提高了的耐磨性提高了2.24倍，拉伸强度提高了倍，拉伸强度提高了27.5%。 纳米胶黏剂纳米胶黏剂的研究刚刚起步，的研究刚刚起步，有更多工作要进一步研究有更多工作要进一步研究n4. 找出胶接强度的普适表达方式，实现胶接强度的无找出胶接强度的普适表达方式，实现胶接强度的无损检测；损检测；n5. 开发可以直接胶接低能表面的胶黏剂；开发可以直接胶接低能表面的胶黏剂；n6. 开发固化更快、效率更高、成本更低、更节省材料、开发固化更快、效率更高、成本更低、更节省材料、能源的胶黏剂；能源的胶黏
53、剂；n7. 开发各种功能胶黏剂，如开发各种功能胶黏剂，如:智能型胶黏剂，耐高温有智能型胶黏剂，耐高温有机胶黏剂，微电子、机胶黏剂，微电子、IT产业用胶黏剂等；产业用胶黏剂等；n8. 涂胶机器人的普及以及胶接自动化技术。涂胶机器人的普及以及胶接自动化技术。n 溶剂粘接实例溶剂粘接实例n1 有机玻璃件溶接有机玻璃件溶接n 飞机上有较多的飞机上有较多的有机玻璃有机玻璃零件，其中有些小型复杂零件，其中有些小型复杂零件的局部采用溶接连成一体。零件的局部采用溶接连成一体。二氯乙烷二氯乙烷是有机玻璃是有机玻璃的良溶剂，在的良溶剂，在100份二氯乙烷中加入份二氯乙烷中加入35份有机玻璃屑份有机玻璃屑配制成有机
54、玻璃稀溶液，涂于有机玻璃的连接面上，配制成有机玻璃稀溶液，涂于有机玻璃的连接面上，晾置晾置12min，对合溶接，粘接后静置对合溶接，粘接后静置1824h。环境温环境温度度1525，相对湿度小于，相对湿度小于70%。n部分塑料的对应溶剂部分塑料的对应溶剂n聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC)：环己酮、四氢呋喃、过氯乙烯、环己酮、四氢呋喃、过氯乙烯、硝基乙烷、甲乙酮、氯苯、吡啶、丙酮和苯的混合物硝基乙烷、甲乙酮、氯苯、吡啶、丙酮和苯的混合物n聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS)：乙酸甲酯、乙酸乙酯、三氯乙烯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、三氯乙烯、四氯乙烯、甲乙酮、二氯甲烷、二氯乙烷、二硫化碳、四氯乙烯、甲乙酮、二氯甲烷、二
55、氯乙烷、二硫化碳、苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯n聚甲基丙烯酸甲酯：聚甲基丙烯酸甲酯：甲酸、二氯乙烷、丙酮、二氯甲甲酸、二氯乙烷、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯乙烷烷、三氯甲烷、四氯乙烷21世纪胶接领域关注的重点研究课题世纪胶接领域关注的重点研究课题n1. 环保压力日益加重，研究能取代一切污染环境的胶环保压力日益加重，研究能取代一切污染环境的胶黏剂；黏剂；n2. 因为可以生物降解，不污染环境，天然胶黏剂的改因为可以生物降解，不污染环境，天然胶黏剂的改性研究将会加强；性研究将会加强；n3. 胶接理论的深入研究，将目前的多种理论统一，形胶接理论的深入研究，将目前的多种理论统一，形成胶接科学学说；
56、成胶接科学学说；n聚酰胺类（聚酰胺类（PA)：间甲苯酚、苯酚、甲酸间甲苯酚、苯酚、甲酸n聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)：邻邻-氯代苯酚、苯酚氯代苯酚、苯酚-四四氯乙烷、间苯二酚、硝基苯氯乙烷、间苯二酚、硝基苯n聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)：二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、三氯乙烯、甲酚氯乙烷、三氯乙烯、甲酚n聚苯醚聚苯醚(PPO)：甲苯、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲甲苯、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷烷、三氯乙烷n 2注塑飞机模型溶接注塑飞机模型溶接n 注塑飞机模型工艺品的造型为中空机身，注塑后的注塑飞机模型工艺品的造型为中空机身，注塑后的模型工艺品需要进行溶接对合。模型材料为模型工艺品需要进行溶接对合。模型材料为聚苯乙烯聚苯乙烯塑料。聚苯乙烯塑料溶于塑料。聚苯乙烯塑料溶于二氯甲烷二氯甲烷或或甲苯甲苯溶剂。只要溶剂。只要将二氯甲烷或甲苯溶剂直接涂于模型分型面胶合处，将二氯甲烷或甲苯溶剂直接涂于模型分型面胶合处，晾置晾置23min溶接对合后，静置溶接对合后，静置12 h以上。以上。
