膠粘劑粘接機理以及粘接技術(shù)

1、關(guān)于膠粘劑粘接機理及粘接技術(shù)第一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1 粘接機理7.1.1 界面接觸與粘接 理想的粘接強度，必需條件：緊密接觸液體的接觸角為0或接近0；黏度低，即不得大于幾毫帕秒；能驅(qū)除被粘物接頭間所夾空氣。第二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月使用膠黏劑，在粘接過程中，由于膠黏劑的流動性和較小的表面張力，對被粘物表面產(chǎn)生潤濕作用，使界面分子緊密接觸，膠黏劑分子通過自身的運動，建立起最合適的構(gòu)型，達到吸附平衡。 隨后，膠黏劑分子對被粘物表面進行跨越界面的擴散作用，形成擴散界面區(qū)。第三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 對高分子被粘物而言，這種擴散是相互

2、進行的；金屬或無機物由于受結(jié)晶結(jié)構(gòu)的約束，分子較難運動，但膠黏劑在硬化前，分子可以擴散到表面氧化層的微孔中去，達到分子的緊密接觸，最后仍能形成以次價力為主的或化學(xué)鍵的粘接鍵。這就是粘接的基本過程。全過程的關(guān)鍵作用是潤濕、擴散和形成粘接鍵。第四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1、 浸潤平衡為形成良好的粘接，首先要求膠粘劑分子和被粘接材分子充分接觸。為此，一般要將被粘接體表面的空氣、或者水蒸氣等氣體排除，使膠粘劑液體和被粘接材接觸。即將氣固界面轉(zhuǎn)換成液固界面，這種現(xiàn)象叫做潤濕，其潤濕能力叫做潤濕性。 第五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月膠黏劑在涂膠階段應(yīng)當(dāng)具有較好的流動性，而且

3、其表面張力應(yīng)小于被粘物的表面張力。這意味著，膠黏劑應(yīng)當(dāng)在被粘物表面產(chǎn)生潤濕，能自動鋪展到被粘物表面上。當(dāng)被粘物表面存在凹凸不平和峰谷的粗糙表面形貌時，能因膠黏劑的潤濕和鋪展，起填平峰谷的作用，使兩個被粘物表面通過膠黏劑而大面積接觸，并達到產(chǎn)生分子作用力的0.5 nm以下的近程距離。第六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 這就要求要選擇能起良好潤濕效果的膠黏劑。同時，也要求被粘物表面事先要進行必要的清潔和表面處理，達到最宜潤濕與粘接的表面狀態(tài)。要盡量避免潤濕不良的情況。 如果被粘物表面出現(xiàn)潤濕不良

4、的界面缺陷，則在缺陷的周圍就會發(fā)生應(yīng)力集中的局部受力狀態(tài)；此外，表面未潤濕的微細孔穴，粘接時未排盡或膠黏劑帶入的空氣泡，以及材料局部的不均勻性，都可能引起潤濕不良的界面缺陷，這些都應(yīng)盡量排除。第九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月粘接失敗的原因? 壓敏膠與底材不匹配 表面平整度 表面污染 脫模劑 塵埃 增塑劑遷移 軟質(zhì)聚氯乙烯橡膠 養(yǎng)護時間 施工壓力 施工環(huán)境溫度 on polyethylenesurfaceWater DropSubstrateWater Dropon clean metalsurfaceSubstrate 粗 糙 的 表 面 Textured Surface第十張，

5、PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月判斷潤濕性可用接觸角來衡量，可用Young方程來表示： SV = LV cos + SL式中，為接觸角，也稱為潤濕角；SV為固氣界面張力；LV為液氣界面張力；SL為固液界面張力。此式應(yīng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)才有意義。SL SV LV 液滴圖11 液體在固體表面上的浸潤狀態(tài) 第十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月可從接觸角(潤濕角)判斷潤濕： 習(xí)慣上將液體在固體表面的接觸角= 90時定為潤濕與否的分界點。 90 為不潤濕，90為潤濕，接觸角越小，潤濕性能越好。 第十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月Zisman將固體表面分為高能表面和低能表面

6、。凡表面能200mNm為高能表面，金屬、金屬氧化物和無機化合物的表面，都是高能表面，表面能膠黏劑的LV ，容易鋪展?jié)櫇?；低能表面的c 一般膠黏劑的LV ，所以不易鋪展?jié)櫇瘛?、 表面及界面自由能第十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月臨界表面張力c較大的被粘物，選擇比被粘物c小的膠黏劑比較容易，有較多的膠黏劑品種可供選擇。但c 越小，則越不容易選擇能有效潤濕的膠黏劑。例如，聚四氟乙烯(PTFE)的c只有19mNm，很不容易找到表面張力比這還小的膠黏劑，所以PTFE具有難粘的特性，利用這一特性，將PTFE熱噴涂于鍋面，就可以制成不粘鍋。 要想粘接PTFE，只有利用鈉-萘溶液進行化學(xué)處理或

7、利用低溫等離子體進行處理使表面改性，才能進行粘接。第十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 通常金屬、玻璃、陶瓷、（木材）等無機物表面張力很大，容易被膠粘劑濕潤，粘接容易。但當(dāng)其表面被油污染后，表面張力變小，濕潤變差，常使粘接失敗，這就是涂膠前進行脫脂處理的原因。第十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月A、表面清理 除雜、除污、脫漆等。B、脫除油脂 1、溶劑除油： 常用溶劑： 丙酮、甲乙酮、汽油、無水乙醇； 四氯化碳、三氯乙烯、過氯乙烯等 2、堿液除油： 特點：主要用于動植物油的去除，但除礦物油效果差，常需配制堿液清洗劑。第十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月堿液除油

8、清洗劑配方： 配方 鋼鐵 銅及其合金 鋁及其合金 氫氧化鈉：50-60g/L 碳酸鈉： 50-60g/L 10-20g/L 磷酸鈉： 86-100g/L 10-20g/L 10-30g/L 硅酸鈉： 10-15 g/L 25g/L 3-5g/L OP乳化劑： 2-3g/L 2-3g/L 處理條件：80/30min 70/30min 50/10min 第十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3、超聲波除油 適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。C、除銹1、機械法：2、化學(xué)法： 硫酸+緩蝕劑（硫脲、聯(lián)苯胺、食鹽等） 鹽酸+緩蝕劑（六次甲基次胺、甲醛等）第十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月D、表面

9、化學(xué)處理 1、金屬的表面活化或鈍化 2、難粘材料的表面活化PE/PP: 配方：重鉻酸鉀（5份）+ 濃硫酸（60份）+水（3份）處理條件：60-70/10-20min PTFE: 配方： 金屬鈉 （23g） + 精萘 （128g） + 四氫呋喃（1000ml）處理條件：室溫 ，1-5min。第十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月針對不同的表面污染采用不同的清潔劑：表面清潔 污染類型 清潔劑指紋 異丙醇（IPA）水汽 異丙醇（IPA）油、脂 庚烷（Heptane）重度油污 丁酮（MEK）脫模劑 向制造商咨詢注意：對于塑料基材，進行合適的清潔非常重要！第二十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于20

10、22年6月3 界面擴散 膠黏劑分子或分子鏈段與處于熔融或表面溶脹狀態(tài)的被粘聚合物表面接觸時，分子之間會產(chǎn)生相互跨越界面的擴散，界面會變成模糊的彌散狀，兩種分子也可能產(chǎn)生互穿的纏繞。這時，雖然分子間只有色散力的相互作用，也有可能達到相當(dāng)高的粘接強度。第二十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月若膠黏劑與高分子材料被粘物的相容性不好，或潤濕性不良，則膠黏劑分子因受到斥力作用，鏈段不可能發(fā)生深度擴散，只在淺層有少許擴散，這時界面的輪廓顯得分明。只靠分子色散力的吸引作用結(jié)合的界面，在外力作用下，容易發(fā)生滑動，所以粘接強度不會很高。第二十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 利用膠黏劑粘接

11、金屬，由于金屬分子是以金屬鍵緊密結(jié)合起來的，分子的位置固定不變，而且金屬分子排列規(guī)整，有序性高，大多數(shù)能生成晶體構(gòu)造，密度大而結(jié)構(gòu)致密，不但金屬分子不能發(fā)生擴散作用，就是膠黏劑的分子也不可能擴散到金屬相里面去。所以，膠黏劑粘接金屬形成的界面是很清晰的。 第二十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月若對金屬表面進行改性，除去松散的氧化層、污染層，并使之生成疏松多孔狀表面，或增加表面的粗糙度，會有利于膠黏劑分子的擴散、滲透或相互咬合，有可能提高膠接強度。另外，選擇強極性的或能與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)鍵的膠黏劑，也能提高粘接強度。借助偶聯(lián)劑的作用，也是提高粘接強度的有效方法。第二十四張，PPT共五十

12、七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1.2 粘 接 理 論了解粘接理論，可以從理論上指導(dǎo)膠黏劑選擇，粘接接頭的設(shè)計，制定最佳的粘接工藝，控制影響粘接強度的各種因素，達到形成強力粘接接頭的目的。機械互鎖理論擴散理論吸附理論電子理論第二十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1 機械互鎖理論結(jié)論在不平的被粘物表面形成機械互鎖力（膠釘）產(chǎn)生膠接力；膠釘越多，膠粘劑滲透得越深，孔隙填充得越滿，膠接強度就越高。對多孔性材料的膠接貢獻顯著，但對非孔性材料的膠接貢獻不顯著形成膠釘?shù)年P(guān)鍵：液體（流動性）；足夠的固體含量局限性：不能解釋許多膠接現(xiàn)象，如孔隙多（表面粗糙）的木材的 膠接 強度比孔隙少（表面致密）的

13、木材的膠接強度低第二十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2 吸附理論固體表面由于范德華力的作用能吸附液體和氣體，這種作用即為物理吸附。而它是膠粘劑與被膠接材料間牢固結(jié)合的普遍性原因。 擴散：液體膠粘劑分子，借助于布朗運動向被膠接材料表面擴散， 使二者所有的極性基團或鏈節(jié)相互靠近。加強布朗運動的措施有： 升溫、加壓、降低粘度等。 吸附力的產(chǎn)生：當(dāng)分子間距 0.5nm時，兩種分子便產(chǎn)生吸附作用，并使分子間距進一步縮短，達到能處于最大穩(wěn)定狀態(tài)的距 離，從而完成膠接作用。結(jié)論第二十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月范德華力偶極力：極性分子間的引力，即偶極距間的相互作用力。式中： 偶

14、極矩R距離；T絕對溫度K波爾茲曼常數(shù)誘導(dǎo)偶極力：由于受到極性分子電場的作用而產(chǎn)生的。式中： 分子極化率； 偶極矩（永久，誘導(dǎo)）色散力：非極性分子間的作用力。式中： 分子電離能互相抵消在范氏力中起主要作用第二十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)論膠粘劑與被膠接材料表面間的距離是產(chǎn)生膠接力的必要條件膠接體系內(nèi)分子接觸區(qū)（界面）的稠密程度是決定膠接強度的主要因素物質(zhì)的極性有利于獲得高膠接強度，但過高會妨礙濕潤過程的進行膠粘劑濕潤被膠接材料的表面產(chǎn)生物理吸附必要非充分條件高的膠接強度第二十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月把膠接作用主要歸功于分子間的作用力（弱力），不能圓滿解釋膠

15、粘劑與被膠接物之間的膠接力大于膠粘劑本身的強度這一事實。在測定膠接強度時，為克服分子間的力所作的功，應(yīng)當(dāng)與分子間的分離速度無關(guān)。但事實上膠接力的大小與剝離速度有關(guān)，吸附理論無法解釋。理論缺陷第三十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月不能解釋極性的-氰基丙烯酸酯能膠接非極性的PS等現(xiàn)象；也不能解釋高分子化合物極性過大，膠接強度反而降低的現(xiàn)象；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物當(dāng)分子量超過5000時，膠接力幾乎消失等現(xiàn)象也不能解釋。許多膠接體系無法用范氏力解釋，而與酸堿配位作用有關(guān)。例：第三十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月瀝青（酸性）+石灰（堿性）膠接好瀝青（酸性）+花崗巖（酸性）膠接差鈦酸鋇（

16、堿性）+酸性聚合物性能好鈦酸鋇（堿性）+聚碳酸酯（堿性）性能差第三十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月酸堿作用理論Fowkes被膠接材料與膠粘劑按其電子轉(zhuǎn)移方向劃分為酸性或堿性物質(zhì)；電子給體或質(zhì)子受體為堿性物質(zhì)，反之則為酸性物質(zhì)；膠接體系界面的電子轉(zhuǎn)移時，形成了酸堿配位作用而產(chǎn)生膠接力。第三十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3 擴散理論鏈狀分子所組成的膠粘劑，涂刷到被膠接材料的表面，在膠液的作用下表面溶脹或溶解。由于膠粘劑的分子鏈或鏈段的布朗運動，使分子鏈或鏈段從一個相進到另一個相中，二者互相交織在一起，使它們之間的界面消失，變成一個過渡區(qū)（層），最后在過渡區(qū)形成相互穿透

17、的高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而得到很高的膠接強度。 溶解度參數(shù)相近 擴散對某些膠接制品的剪切強度不高，而剝離強度很高的成功解釋。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過渡區(qū)的形成第三十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月貢獻線性高分子的膠接體系輕度交聯(lián)的高分子膠接體系可解釋同種或結(jié)構(gòu)、性能相近的高分子化合物的膠接作用。第三十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月提高擴散的措施降低分子量提高接觸時間提高膠接溫度第三十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月局限不能解釋金屬和陶瓷、玻璃等無機物的膠接現(xiàn)象無法解釋聚甲基丙烯酸甲酯（Mw=9萬，溶解度參數(shù)=9.24）和聚苯乙烯（Mw=3萬，溶解度參數(shù)=9.12）各自以7.

18、5%的溶液共溶于甲苯中，而它們的固相卻互不擴散的現(xiàn)象。第三十七張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4 電子理論（雙電層理論 ）將被膠接材料和固化的膠粘劑層理想化為電容器，即在膠接接頭中存在雙電層，膠接力主要來自雙電層的靜電引力。靜電引力的產(chǎn)生是相1電荷場相2電荷場相互作用的結(jié)果。成功地解釋了粘附功與剝離速度有關(guān)的實驗事實 靜電引力（0.04MPa）對膠接強度的貢獻可忽略不計 無法解釋用炭黑作填料的膠粘劑及導(dǎo)電膠的膠接現(xiàn)象 無法解釋由兩種以上互溶高聚物構(gòu)成的膠接體系的膠接現(xiàn)象 不能解釋溫度、濕度及其它因素對剝離實驗結(jié)果的影響第三十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)膠接接頭以極慢

19、的速度剝離時，電荷可以從極板部分逸出，降低了電荷間的引力，減少了剝離時消耗的功當(dāng)快速剝離時，電荷沒有足夠的逸出，粘附功偏高解釋了粘附功與剝離速度有關(guān)克服了吸附理論的不足第三十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5 化學(xué)鍵理論膠接作用主要是化學(xué)鍵力作用的結(jié)果；膠粘劑與被粘物分子間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而獲得高強度的主價鍵結(jié)合，化學(xué)鍵包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵，在膠接體系中主要是前二者。化學(xué)鍵力比分子間力大得多。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵化學(xué)吸附發(fā)生條件第四十張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月從粘接接頭被破壞的情況來分析膠粘劑與被粘表面間形成的薄弱表面層對粘接強度影響很大，必須盡可能除去弱界面

20、層理論粘接作用與材料、膠粘劑的極性有關(guān)極性材料要用極性膠粘劑粘接非極性材料要用非極性膠粘劑粘接 極性理論配位鍵理論 粘接時，微布朗運動促使膠粘劑分子中帶電荷部分（通常是帶孤對電子或電子的基團，如OH、NH2、CN、COOH等）與被粘材料（如金屬離子、金屬原子、缺電子鏈節(jié)等)帶相反電荷部分之間形成配價鍵（距離小于510-10m)第四十一張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2 粘接技術(shù)接頭設(shè)計膠粘劑選擇工藝方法表面處理膠接強度第四十二張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2.1 粘接接頭的設(shè)計粘接接頭：被粘接材料通過膠黏劑進行連接的部位。粘接接頭的結(jié)構(gòu)形式很多。從接頭的使用功能、

21、受力情況出發(fā)，有以下幾種基本形式。第四十三張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月粘接接頭的基本形式（1）搭接接頭（lap joint）：由兩個被粘接部分的疊合，粘接在一起所形成的接頭第四十四張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 面接接頭（surface joint）兩個被粘接物主表面粘接在一起所形成的接頭 第四十五張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 對接接頭（butt joint）被粘接物的兩個端面與被粘接物主表面垂直第四十六張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) 角接接頭（angle joint）兩被粘接物的主表面端部形成一定角度的粘接接頭第四十七張，

22、PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月接頭膠層在外力作用時，有四種受力情況。（a）均勻扯離 （b）剪切 （c）剝離 （d）不均勻扯離第四十八張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月拉應(yīng)力：外力與粘接面垂直，且均勻分布于整個粘接面。剪切力：外力與粘接面平行，且均勻分布于粘接面上。剝離力：外力與粘接面成一定角度，并集中分布在膠接面的某一線上。劈裂力（不均勻扯離力）：外力配置于整個粘接面，但不均勻分布在整個粘接面上。應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。 第四十九張，PPT共五十七頁，創(chuàng)作于2022年6月為了分析方便，上述四種應(yīng)力尚可簡化為拉應(yīng)力和剪切力兩類。拉應(yīng)力包括均勻扯離（正拉）力，不均勻扯離（劈裂）力和剝離力。 實踐表明，膠接接頭的抗剪切及抗拉伸能力強，抗剝離和