胶接基础知识课件.ppt

第二章 胶接基础知识,西南林学院 郑志锋 2005年10月,包装工程本科专业方向课胶合材料学,本章主要内容,胶接的各种理论（机械、物理、化学、扩散、静电） 胶接界面化学 影响胶接强度的因素 胶接结构的耐久性 胶粘剂的基本条件 胶粘剂的选择,2-1 胶接理论,2.1.1 机械胶接理论,结论,通过机械方式（胶钉）产生胶接力；胶钉越多，胶粘剂渗透得越深，孔隙填充得越满，胶接强度就越高,对多孔性材料的胶接贡献显著，但对非孔性材料的胶接贡献不显著 形成胶钉的关键：液体（流动性）；足够的固体含量 局限性：不能解释许多胶接现象，如孔隙多（表面粗糙）的木材的 胶接 强度比孔隙少（表面致密）的木材的胶接强度低,2.1.2 吸附胶接理论,固体表面由于范德华力的作用能吸附液体和气体，这种作用即为物理吸附而它是胶粘剂与被胶接材料间牢固结合的普遍性原因,分散：液体胶粘剂分子，借助于布朗运动向被胶接材料表面扩散， 使二者所有的极性基团或链节相互靠近加强布朗运动的措施有： 升温、加压、降低粘度等 吸附力的产生：当分子间距< 510-10m时，两种分子便产生吸附 作用，并使分子间距进一步缩短，达到能处于最大稳定状态的距 离，从而完成胶接作用。

结论,范德华力,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）,色散力：非极性分子 间的作用力 式中： 分子 电离能,互相抵消,,,在范氏力中起主要作用,,结论,胶粘剂与被胶接材料 表面间的距离是产生 胶接力的必要条件,胶接体系内分子接触 区（界面）的稠密程 度是决定胶接强度的 主要因素,物质的极性有利于获得 高胶接强度，但过高会 妨碍湿润过程的进行,胶粘剂湿润被胶接材料的表面,,产生物理吸附,,必要非充分条件,,高的胶接强度,,H2O,2.1.3 扩散理论,链状分子所组成的胶粘剂，涂刷到被胶 接材料的表面，在胶液的作用下表面溶胀或 溶解由于胶粘剂的分子链或链段的布朗运动， 使分子链或链段从一个相进到另一个相中，二者互 相交织在一起，使它们之间的界面消失，变成一个过 渡区（层），最后在过渡区形成相互穿透的高分 子网络结构，从而得到很高的胶接强度溶解度参数相近 扩散,,对某些胶接制品的剪切强度不高，而剥离强度很高的成功解释。

网络结构过 渡区的形成,2.1.4 化学键胶接理论,胶接作用主要是化学键力作用的结果；胶粘剂与被粘物分子间 产生化学反应而获得高强度的主价键结合，化学键包括离子键、 共价键和金属键，在胶接体系中主要是前二者化学键力比分子 间力大得多,化学吸附 发生条件,发生化学反应，形成化学键,,活性基团,偶联剂,表面处理,机械砂磨 电晕 等离子体 化学药剂,,,RCH2OH + HO木质材料 RCH2O木质材料 + H2O RCH2OH + HO纤维素 RCH2O纤维素 + H2O RCH2OH + HO木素 RCH2O木素 + H2O,被胶接材料中的羟基 + 胶粘剂中的羟甲基,,化学键,2.1.5 静电胶接理论,将被胶接材料和固化的胶粘剂层理想化为电容器，即在胶接 接头中存在双电层，胶接力主要来自双电层的静电引力静 电引力的产生是相1电荷场相2电荷场相互作用的结果成功地解释了粘附功与剥离速度有关的实验事实,,静电引力（<0.04MPa）对胶接强度的贡献可忽略不计 无法解释用炭黑作填料的胶粘剂及导电胶的胶接现象 无法解释由两种以上互溶高聚物构成的胶接体系的胶接现象 不能解释温度、湿度及其它因素对剥离实验结果的影响,缺陷,贡献,2.1.6 其它胶接理论,从粘接接头被破坏的情况来分析 胶粘剂与被粘表面间形成的薄弱表面层 对粘接强度影响很大，必须尽可能除去,弱界面层理论,粘接作用与材料、胶粘剂的极性有关 极性材料要用极性胶粘剂粘接 非极性材料要用非极性胶粘剂粘接,极性理论,由成键的两个原子中的一个原子 单独提供一个电子对而形成的共价键，称为配价键 广义地讲，凡是电子供给体与电子接受体 相互结合形成的化学键，都称配价键。

配位键理论,配位键理论要点 在粘接时，胶粘剂分子、链段以及基团会产生微布朗运动在运动中，当胶粘剂分子带电荷部分（通常是带孤对电子或电子的基团，如OH、NH2、CN、COOH等）与被粘材料（如金属离子、金属原子、缺电子链节等)带相反电荷部分之间的距离小于510-10时，就会相互作用形成配价键由氢离子形成的氢键是特殊的配价键配价健有较大的结合能，很难破坏配位键实例 金属的粘接 一般金属原子及其阳离子都是电子接受体，而粘接金属的胶粘剂分子中都有-CN、-OH、-NH2、-COOH等含孤对电子的基团，在粘接过程中，胶粘剂分子与金属原子或其阳离子形成配价键 橡胶与金属的粘接 天然橡胶无论在硫化前还是在硫化后，都含有双键（末交联双键）双键上结合得比较松弛的电子，可以作为电子供给体与金属形成配价键因此，天然橡胶分子中虽然没有极性基团和孤对电子，但与金属也有一定的粘附力极性胶粘剂与非极性材料粘接 以-氰基丙烯酸乙酯胶与聚苯乙烯粘接为例，虽然-氰基丙烯酸乙酯能溶解聚苯乙烯，产生分子间的扩散作用，但是极性分子与非极性分子之间很难互相渗透、互相吸引，因此无法解释它们之间的粘接强度达9.8106Pa以上这个事实。

配价键理论认为，在聚苯乙烯分子链节中，由于苯环的存在，可以提供电子，同时由于它的影响，与苯环连接的碳原子的电子云密度就会降低这样，苯环和-CN分别与对方带电荷的氢原子形成配价键，而且-氰基丙烯酸乙酯能溶解聚苯乙烯也为形成配价键创造了条件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（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,2.2.1 胶接的主要过程,2-2 胶接界面化学,胶粘剂的液化：因为胶粘剂要浸润到固本间的空隙中，故它必须是可自由改变形状的液体因此，可用单体或预聚物、溶液或乳液、熔融聚合物 流动：这是胶粘剂浸透到固体间并嵌入空隙中的过程在此关系到胶粘剂粘性等流变学的性质。

润湿：为了使胶粘剂能够浸润固体空隙，并润湿固体表面，胶粘剂对固体的接触角必须要在90以下扩散、粘接、吸附：这个过程是与润湿平行发生的，它按照在多成分系高分子中，链段是通过界面自由能变成最小来吸附和取向的规则形成胶接层结构的 固化：由于聚合、溶剂的挥发、冷却等作用，胶粘剂固化后形成所需强度的过程 粘接体系的变形和破坏：这是在实际使用直至破坏的过程2.2.2 固体表面上液体的平衡,图11 液体在固体表面上的浸润状态,SV = LV cos + SL S = SV + 式中：SV 固/气界面张力； LV 液/气界面张力； SL 固/液界面张力； S 在真空状态下固体的表面张力； 吸附于固体表面的气体膜压力，也称吸附自由能对于有机高分子等低表面能固体，可以忽略不计Young公式,因此，对于有机高分子等低表面能固体来讲，S = SV，则 S = SL + LV cos （118） 当 =180，cos = 1，表示胶液完全不能浸润被胶接固体的状态，不可能 当 = 0，cos = 1，代表完全浸润状态当体系接近完全浸润状态时，式（118）可表示为 S （SL + LV ）0 设 = S （SL + LV ），并称为铺展系数。

用于描述浸润特性 对于一般有机物的液/固体系，SL可忽略不计，则有 S LV 胶接体系只有满足上述条件，才有可能出现cos = 1，从而获得形成良好胶接接头的必要条件，即是选择胶粘剂时的必要条件，即被胶接物表面能大于或等于胶粘剂的表面能 实际上LV 和cos 是可以通过实验测定，而S 和SL的测定是非常困难的，可通过临界表面张力来解决2-3 被粘物的表面处理,目的： 表面处理，有时也称表面预处理，其目的是得到能够产生牢固耐久接头的被粘物表面 弱界面层（概念见2-3影响胶接强度的因素） 由于有弱界面层的存在，胶粘剂绝不能/往往不能直接与被粘物表面接触影响表面处理方法选择的因素 零部件尺寸 设备适应性 辅助工具 浸渍浴中化学药品浓度的迅速降低 能形成弱边界层的浴中异物的沉积,接头设计,胶粘剂选择,工艺方法,表面处理,,,胶接强度,适当的表面处理将使粘接接头的薄弱环节处于胶层内，而不是在被粘物与胶粘剂的界面上在粘接中这种形式的破坏称为内聚破坏，即胶层残留在两个被粘物的表面上如果破坏发生在胶粘剂与被粘物界面上，则称为粘附破坏（界面破坏）许多ASTM试验方法都规定以内聚破坏和粘附破坏的百分数表明破坏的类型。

从表面处理观点来看，粘接接头或试验件的理想破坏形式是100%的内聚破坏一、清洁 概念 “清洁”一词是指除去灰尘、污物、油脂，以及为粘接表面进行专门的化学清洗 例子 聚四氟乙烯(PTFE)和其他氟塑料：若只作单纯的清洁处理，粘接强度几乎为零；只有经过严格的表面处理，改变表面的化学和物理性质，才能进行粘接 镁：在清洁处理之后，必须进行化学或阳极化处理，形成与镁紧密结合的一层无机薄膜，同时，又能与有机物如胶粘剂很好粘合方法 溶剂清洗 中间清洗 化学处理 注：任何表面处理都需要采用上述方法之一种、两种或三种 溶剂清洗： 蒸汽脱脂； 超声波蒸汽脱脂； 超声波液体冲洗； 溶剂擦拭、浸洗或喷淋中间清洗：以物理、机械或化学方法除去表面污物，但不改变材料的化学结构如用碱液清洗不锈钢或以洗涤剂清洗环氧层压板 化学处理：以化学方法清洗表面的一种工艺过程这种处理改变了被粘物表面的化学性质，改善了粘接性能化学处理之前总要进行溶剂清洗，中间清洗常在两者之间完成如酸蚀、阳极化等二、底涂 概念 通常是胶粘剂在某种有机溶剂中的稀溶液，涂布的干膜厚度为0.0015-0.05mm的一种表面处理方法 作用 (1)改善润湿性 (2)防止被粘物表面清洗后的氧化，延长表面处理与涂胶之间的有效时间。

(3)有助于防腐蚀 (4)改善胶粘剂的某些性能，如剥离强度 (5)用作阻隔层以防止胶粘剂与被粘物间的不利反应 (6)使胶膜或被粘物在装配时定位优点 (1)制造程序较为灵活； (2)接头可靠性高； (3)固化条件不太严格； (4)胶粘剂选择范围广； (5)接头耐久性较好 底胶很像胶粘剂，一般在性质上有些特殊，但与胶粘剂差别不大三、聚合物表面的活性气体处理(等离子处理) 概念 把聚合物表面暴露于辉光放电(即无线电频率场)产生的低压等离子惰性气体(O2、He、N2)里，对于聚乙烯只需很短的处理时间(约9s)，而其他聚合物如PTFE则需较长的接触时间在处理过程中，聚合物表面原子被消除，形成强韧、润湿、交联的表面层 优点 等离子处理的聚合物粘接强度通常比传统的化学或机械处理后的粘接强度高2-4倍四、表面处理有效性的评价方法 实际粘接之前，要进行“水膜破坏”试验，或接触角定量测定，以评价表面处理的质量粘接之后，表面处理的效果可由粘接接头的破坏类型判定 水膜破坏实验 观察水在清洁的表面(化学活性或极性表面)上会形成连续的水膜，而不是一系列分离的液滴，这称为水膜不破坏状态水膜破坏则表明表面有油污或污染。

试验中应使用蒸馏水，滞留时间30s接触角试验 测量聚合物表面和参考液体(如蒸馏水)之间的接触角也可判定润湿性 接触角小：液体能很好地润湿聚合物表面； 接触角大：润湿性很差 每种表。