聚合物表面与界面7讲课文档.ppt

聚合物表面与界面7第一页，共八十二页粘结力产生的原因粘结力产生的原因：化学键化学键：又称为主价键力，包括离子键、共价键、金属键，它们具有较高的键能，在胶黏剂和被粘材料之间如果引入化学键可以大幅度的提高粘接强度分子间作用力分子间作用力：又称次价键力，包括取向力、诱导力、色散力和氢键力，是提高粘接强度的主要来源，广泛存在于所有粘接体系中，但一般比化学键低一个数量级界面静电引力界面静电引力：当金属和非金属材料密切接触时，在接触面电化学势的热力学平衡过程中会形成双电层，产生静电引力机械作用力机械作用力：从物理化学观点看，它与粘接强度无关，但它是一种增加粘接效果的方法，在多孔材料的粘接上体现得最为明显 在以上各种产生粘结力的因素中，只有分子间作用力在以上各种产生粘结力的因素中，只有分子间作用力在以上各种产生粘结力的因素中，只有分子间作用力在以上各种产生粘结力的因素中，只有分子间作用力普遍存在于所有粘接体系中，而其它作用力只是特殊条件普遍存在于所有粘接体系中，而其它作用力只是特殊条件普遍存在于所有粘接体系中，而其它作用力只是特殊条件普遍存在于所有粘接体系中，而其它作用力只是特殊条件下才能成为粘接力的来源。

下才能成为粘接力的来源下才能成为粘接力的来源下才能成为粘接力的来源第二页，共八十二页第三页，共八十二页1.1.吸附作用吸附作用 吸附理论认为粘接力的主要来源是分子间作用力吸附理论认为粘接力的主要来源是分子间作用力吸附理论认为粘接力的主要来源是分子间作用力吸附理论认为粘接力的主要来源是分子间作用力胶黏剂与被粘材料表面的粘接力与吸附力具有某种相通的性质胶黏剂分子在被粘材料表面扩散，使两者的极性基团或分子链段相互靠近，当达到一定距离后会产生吸附力研究发现，粘接强度与胶黏剂中某些具有吸附作用的基团粘接强度与胶黏剂中某些具有吸附作用的基团粘接强度与胶黏剂中某些具有吸附作用的基团粘接强度与胶黏剂中某些具有吸附作用的基团浓度存在某种依赖性关系浓度存在某种依赖性关系浓度存在某种依赖性关系浓度存在某种依赖性关系例如利用钛酸酐固化环氧粘接铝合金时，粘接强度与环氧树脂中羟基浓度的2/3次方成正比第四页，共八十二页2.2.浸润作用浸润作用 为了获得良好的粘接强度，粘接过程中，胶黏剂必须是容易流动的液体，才有利于界面分子的接触，胶黏剂与被粘材料之间处于湿润状态，胶黏剂能够自动在被粘材料表面展开，界面分子充分靠近，湿润程度好，会增大有效粘接面积，粘接强度高。

完全浸润是获得高粘接强度的必要条件完全浸润是获得高粘接强度的必要条件浸润不完全，会使有效粘结面积减小，而且粘结界面会产生气泡，并在气泡周围产生应力集中，大大降低粘结强度第五页，共八十二页3.3.扩散作用扩散作用 在粘接高分子材料时，由于分子链段的热运动，胶黏剂分子链段与被粘材料的分子相互扩散，使黏附界面消失，形成过渡区，产生良好的粘接强度胶黏剂与被粘材料之间的相容性和溶解度参数决定了扩散效果但相容性只能说明高分子材料粘接过程中是否扩散，至于扩散程度还取决于溶解度参数实际粘接过程中，往往借助有效的溶剂、实际粘接过程中，往往借助有效的溶剂、实际粘接过程中，往往借助有效的溶剂、实际粘接过程中，往往借助有效的溶剂、加热、加压等方法促使粘接界面的扩散，达到有效粘接的加热、加压等方法促使粘接界面的扩散，达到有效粘接的加热、加压等方法促使粘接界面的扩散，达到有效粘接的加热、加压等方法促使粘接界面的扩散，达到有效粘接的目的目的目的目的第六页，共八十二页4.4.静电作用静电作用 当金属与非金属材料密切接触时，由于金属对电子的亲和力低，容易失去电子，而非金属对电子的亲和力高，容易得到电子因此，电子可以从金属移向非金属，在界面产生电子可以从金属移向非金属，在界面产生接触电势，形成双电层而产生静电引力，一切具有电子接触电势，形成双电层而产生静电引力，一切具有电子供体和接受体的物质都可以产生界面静电引力作用供体和接受体的物质都可以产生界面静电引力作用。

双电层是含有两种符号相反的空间电荷，这种空间电荷间形成的电场产生对粘接有贡献的吸附作用在聚合物粘接中，空间电荷的分布可以通过物理模型推导出，但聚合物胶黏金属体系的测试结果表明，静电因素对粘结强度的提高并不是主要的作用第七页，共八十二页5.5.化学键作用化学键作用 化学键理论是以胶黏剂分子和粘合表面的电子、质子的相互作用为基础的这些相互作用都是特定的，它们可以通过粘合表面化学键的分子轨道的量子力学理论描述，由由由由于于于于化化化化学学学学键键键键要要要要比比比比分分分分子子子子间间间间作作作作用用用用力力力力高高高高出出出出许许许许多多多多倍倍倍倍，因因因因此此此此它它它它是是是是最最最最理理理理想想想想的的的的粘粘粘粘结结结结方方方方式式式式但目前已知体系对粘合面都具有高度选择性，例如采用X3Si（CH2)nY型硅烷偶联剂处理被粘物表面，要力求使得偶联剂水解后与被粘物反应，同时在相互浸润、且满足上述化学反应的前提条件下才能提高粘结强度第八页，共八十二页 总之，虽然以上理论可以解释粘接过程中的某些总之，虽然以上理论可以解释粘接过程中的某些总之，虽然以上理论可以解释粘接过程中的某些总之，虽然以上理论可以解释粘接过程中的某些现象，但迄今为止有关粘接的任何一种理论都不能单现象，但迄今为止有关粘接的任何一种理论都不能单现象，但迄今为止有关粘接的任何一种理论都不能单现象，但迄今为止有关粘接的任何一种理论都不能单独解释粘接现象，对粘接机理的研究还远远落后于粘独解释粘接现象，对粘接机理的研究还远远落后于粘独解释粘接现象，对粘接机理的研究还远远落后于粘独解释粘接现象，对粘接机理的研究还远远落后于粘接技术的发展。

接技术的发展接技术的发展接技术的发展第九页，共八十二页胶胶接接头头是是如如何何形形成成的的？在在热热力力学学和和动动力力学学条条件件都都满满足足的的条条件件下下，还还要要提提供供条条件件来来完完成成热热力力学学和和动动力力学学允允诺诺的的事事，就就是是要要让让胶胶与与被被粘粘物物的的分分子子、原原子子充充分分靠靠近近，达达到到主主价价键键和和次次价价键的使用范围内键的使用范围内第十页，共八十二页胶与被粘物之间不可能实现完全的接触要提高胶接强度，必须增加两者的接触点即实现胶对被粘物的浸润第十一页，共八十二页经过液体阶段再变为固体，通过液体的流动为分子、原子提供接触机会，才能形成良好的浸润，理论上，粘度越低，对浸润越有利，但形成的胶层，一定要有厚度，才行!粘度太小，则无法形成厚度第十二页，共八十二页胶在处于液体状态时，必须对被粘物处于浸润状态，即胶粘剂液体必须能够在被粘物表面铺展这样才能为胶粘剂分子与被粘物分子提供接触机会，充分靠近，在更多的点上形成分子间力连接粘接形成过程：胶粘剂胶粘剂固化固化流体化流体化粘接粘接浸润浸润第十三页，共八十二页第十四页，共八十二页在浸润状态下(或浸润较好的前提下)，使被粘物表面粗化，有利于增加二者的接触面积，从而提高粘接强度；相反，表面处于非浸润状态时(或浸润不良时)，为了改善粘接效果，表面应尽量保持光滑现象：毛细管现象：浸润上爬，粗糙表面增强浸润效果非浸润下降，粗糙表面降低浸润效果第十五页，共八十二页。

天然的自洁表面：荷叶及花-出污泥而不染是如何做到的：荷叶是蜡质表面，水在其表面的接触角是110度，但110度并不能做“自洁”第十六页，共八十二页表面形成许多凸起：表面的粗糙度增加，对于非浸润的表面来说，是使其更难浸润荷叶通过这样的表面结构，使水在其表面的接触角从110度拉高到140度第十七页，共八十二页即胶粘剂本身 也要有较高的强度胶粘剂保持为液体， 是没有粘接强度的固化后有较好强度， 胶接才会有较好的强度第十八页，共八十二页热固性胶粘剂：提高交联度热塑性胶粘剂：增加极性压敏胶：橡胶型：加入增粘剂丙烯酸酯型：丁酯、辛酯提高粘附性，丙烯酸、丙烯酰胺提高内聚强度第十九页，共八十二页内应力会抵消粘接强度应力松弛会缓解内应力(无机胶粘剂无此作用，应力不会松弛到0)内应力产生的原因：固化过程胶的体积收缩：溶剂挥发、聚合反应胶与被粘物的热膨胀系数不同：收缩量不同胶含有不同组分：如填料第二十页，共八十二页针对内应力的成因选择没有小分子放出的化学反应：如环氧树脂、聚氨酯的固化反应没有小分子放出，而酚醛树脂固化是有小分子放出的加入使胶层软化的组分(虽然这样可能会降低胶层的内聚强度)，如加入橡胶增韧、加入增塑剂使胶层与被粘物有相似的热膨胀系数第二十一页，共八十二页。

缺陷种类：弱边界层气孔其它缺陷：胶料组分不均匀.后果破坏浸润关系破坏已经形成的分子间力产生应力集中第二十二页，共八十二页二、材料表面结构对胶接效果的影响二、材料表面结构对胶接效果的影响1.1.粗糙度的影响粗糙度的影响 被粘物表面粗糙程度是产生机械黏合力的源泉，增加粗糙度等于相应增加表面积，并使粗糙表面的粘接强度高于光滑表面适当的粗糙度会使粘接达到一个最大强度：适适当的粗糙度会使粘接达到一个最大强度：适适当的粗糙度会使粘接达到一个最大强度：适适当的粗糙度会使粘接达到一个最大强度：适当的表面粗糙度对于提高粘接强度是有利的，但粗糙度过大当的表面粗糙度对于提高粘接强度是有利的，但粗糙度过大当的表面粗糙度对于提高粘接强度是有利的，但粗糙度过大当的表面粗糙度对于提高粘接强度是有利的，但粗糙度过大反而不利于粘接如果表面粗糙度过大，则界面接触不良，反而不利于粘接如果表面粗糙度过大，则界面接触不良，反而不利于粘接如果表面粗糙度过大，则界面接触不良，反而不利于粘接如果表面粗糙度过大，则界面接触不良，胶黏剂不易浸润、渗透，容易缺胶或胶层过厚造成胶接强度胶黏剂不易浸润、渗透，容易缺胶或胶层过厚造成胶接强度胶黏剂不易浸润、渗透，容易缺胶或胶层过厚造成胶接强度胶黏剂不易浸润、渗透，容易缺胶或胶层过厚造成胶接强度下降；如果表面粗糙度过低，则接触面积减少，不易浸润、下降；如果表面粗糙度过低，则接触面积减少，不易浸润、下降；如果表面粗糙度过低，则接触面积减少，不易浸润、下降；如果表面粗糙度过低，则接触面积减少，不易浸润、渗透，容易缺胶或胶层过薄造成胶接强度下降渗透，容易缺胶或胶层过薄造成胶接强度下降渗透，容易缺胶或胶层过薄造成胶接强度下降渗透，容易缺胶或胶层过薄造成胶接强度下降。

第二十三页，共八十二页 另外不同被粘材料的表面极性不同，与胶黏另外不同被粘材料的表面极性不同，与胶黏另外不同被粘材料的表面极性不同，与胶黏另外不同被粘材料的表面极性不同，与胶黏剂结合情况也不同，普遍而言，金属的粘结强度剂结合情况也不同，普遍而言，金属的粘结强度剂结合情况也不同，普遍而言，金属的粘结强度剂结合情况也不同，普遍而言，金属的粘结强度好于非金属材料，一般规律是：钢好于非金属材料，一般规律是：钢好于非金属材料，一般规律是：钢好于非金属材料，一般规律是：钢 铝合金铝合金 铁铁铁铁 铝铝铝铝型材型材型材型材 铜铜铜铜 金金金金 聚乙烯或聚丙烯聚乙烯或聚丙烯聚乙烯或聚丙烯聚乙烯或聚丙烯第二十四页，共八十二页2.2.表面处理的影响表面处理的影响 被被粘粘材材料料经经过过表表面面处处理理，可可以以增增大大接接触触面面积积或或（表表面面能能），被被粘粘材材料料经经过过表表面面处处理理，可可以以增增大大接接触触面面积积或或（表表面面能能），从从而而提提高高粘粘接接强强度度从从而而提提高高粘粘接接强强度度 LY12CZ铝合金是航空航天工业经常使用的金属材料，其粘接表面多采用铬酸、硫酸、磷酸阳极化处理。

其中磷酸阳极化处理后的铝合金表面孔径变大，易使胶黏剂渗入微孔，增加了实际黏合面积，从而大幅度提高其粘接强度但由于磷酸阳极化表面膜活性高，易被污染，在实际使用中要清洁，不接触胶接部位，而且要求经处理的磷酸阳极铝合金在6-8h内使用，以保持其最佳强度，目前许多国家的航空金属胶接都采用这一工艺其他的金属材料也可采用化学氧化处理，如钛合金经H2O2/ HCHO/ HCl。