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1、第7章 粘接机理及粘接技术,7.1 粘接机理,7.1.1 界面接触与粘接 理想的粘接强度，必需条件：紧密接触液体的接触角为0或接近0；黏度低，即不得大于几毫帕秒；能驱除被粘物接头间所夹空气。,使用胶黏剂，在粘接过程中，由于胶黏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，胶黏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，胶黏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。,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
2、能形成以次价力为主的或化学键的粘接键。这就是粘接的基本过程。全过程的关键作用是润湿、扩散和形成粘接键。,1、浸润平衡,为形成良好的粘接，首先要求胶粘剂分子和被粘接材分子充分接触。为此，一般要将被粘接体表面的空气、或者水蒸气等气体排除，使胶粘剂液体和被粘接材接触。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。,胶黏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，胶黏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，能因胶黏剂的润湿和铺展，起填平峰谷的作用，使两个被粘物表面通过胶黏剂而大面积
3、接触，并达到产生分子作用力的0.5 nm以下的近程距离。,这就要求要选择能起良好润湿效果的胶黏剂。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，达到最宜润湿与粘接的表面状态。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，粘接时未排尽或胶黏剂带入的空气泡，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。,粘接失败的原因?,压敏胶与底材不匹配 表面平整度,表面污染 脱模剂 尘埃 增塑剂迁移 软质聚氯乙烯橡胶 养护时间 施工压力 施工环境温度,粗 糙 的 表 面 Texture
4、d Surface,判断润湿性可用接触角来衡量，可用Young方程来表示：SV=LV cos+SL式中，为接触角，也称为润湿角；SV为固气界面张力；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。,图11 液体在固体表面上的浸润状态,可从接触角(润湿角)判断润湿：,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。,Zisman将固体表面分为高能表面和低能表面。凡表面能200mNm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，表面能胶黏剂的LV，容易铺展润湿；低能表面的c 一般胶黏剂的LV
5、，所以不易铺展润湿。,2、表面及界面自由能,临界表面张力c较大的被粘物，选择比被粘物c小的胶黏剂比较容易，有较多的胶黏剂品种可供选择。但c 越小，则越不容易选择能有效润湿的胶黏剂。例如，聚四氟乙烯(PTFE)的c只有19mNm，很不容易找到表面张力比这还小的胶黏剂，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。,通常金属、玻璃、陶瓷、（木材）等无机物表面张力很大，容易被胶粘剂湿润，粘接容易。但当其表面被油污染后，表面张力变小，湿润变差，常使粘接失败，这就是涂
6、胶前进行脱脂处理的原因。,A、表面清理 除杂、除污、脱漆等。B、脱除油脂 1、溶剂除油：常用溶剂：丙酮、甲乙酮、汽油、无水乙醇；四氯化碳、三氯乙烯、过氯乙烯等 2、碱液除油：特点：主要用于动植物油的去除，但除矿物油效果差，常需配制碱液清洗剂。,碱液除油清洗剂配方：配方 钢铁 铜及其合金 铝及其合金 氢氧化钠：50-60g/L 碳酸钠：50-60g/L 10-20g/L 磷酸钠：86-100g/L 10-20g/L 10-30g/L 硅酸钠：10-15 g/L 25g/L 3-5g/L OP乳化剂：2-3g/L 2-3g/L 处理条件：80/30min 70/30min 50/10min,3、超
7、声波除油 适合结构复杂的构件。C、除锈1、机械法：2、化学法：硫酸+缓蚀剂（硫脲、联苯胺、食盐等）盐酸+缓蚀剂（六次甲基次胺、甲醛等）,D、表面化学处理 1、金属的表面活化或钝化 2、难粘材料的表面活化PE/PP:配方：重铬酸钾（5份）+浓硫酸（60份）+水（3份）处理条件：60-70/10-20min PTFE:配方：金属钠（23g）+精萘（128g）+四氢呋喃（1000ml）处理条件：室温，1-5min。,针对不同的表面污染采用不同的清洁剂：,表面清洁,污染类型 清洁剂指纹 异丙醇（IPA）水汽 异丙醇（IPA）油、脂 庚烷（Heptane）重度油污 丁酮（MEK）脱模剂 向制造商咨询,注
8、意：对于塑料基材，进行合适的清洁非常重要！,3 界面扩散,胶黏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粘接强度。,若胶黏剂与高分子材料被粘物的相容性不好，或润湿性不良，则胶黏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，所以粘接强度不会很高。,利用胶黏剂粘接金属，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，
9、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，就是胶黏剂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界面是很清晰的。,若对金属表面进行改性，除去松散的氧化层、污染层，并使之生成疏松多孔状表面，或增加表面的粗糙度，会有利于胶黏剂分子的扩散、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黏剂，也能提高粘接强度。借助偶联剂的作用，也是提高粘接强度的有效方法。,7.1.2 粘 接 理 论,了解粘接理论，可以从理论上指导胶黏剂选择，粘接接头的设计，制定最佳的粘接工艺，控制影响粘接强度的各种因素，达
10、到形成强力粘接接头的目的。机械互锁理论扩散理论吸附理论电子理论,1 机械互锁理论,结论,在不平的被粘物表面形成机械互锁力（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 吸附理论,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。,扩散：液体胶粘剂分子，借助于布朗运动向被胶接材料表面扩
11、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 0.5nm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
12、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,把胶接作用主要归功于分子间的作用力（弱力），不能圆满解释胶粘剂与被胶接物之间的胶接力大于胶粘剂本身的强度这一事实。在测定胶接强度时，为克服分子间的力所作的功，应当与分子间的分离速度无关。但事实上胶接力的大小与剥离速度有关，吸附理论无法解释。,理论缺陷,不能解释极性的-氰基丙烯酸酯能胶接非极性的PS等现象；也不能解释高分子化合物极性过大，胶接强度反而降低的现象；网状结构的高聚物当分子量超过5000时，胶接力几乎消失等现象也不能解释。许多
13、胶接体系无法用范氏力解释，而与酸碱配位作用有关。例：,沥青（酸性）+石灰（碱性）,胶接好,沥青（酸性）+花岗岩（酸性）,胶接差,钛酸钡（碱性）+酸性聚合物,性能好,钛酸钡（碱性）+聚碳酸酯（碱性）,性能差,酸碱作用理论,Fowkes,被胶接材料与胶粘剂按其电子转移方向划分为酸性或碱性物质；电子给体或质子受体为碱性物质，反之则为酸性物质；胶接体系界面的电子转移时，形成了酸碱配位作用而产生胶接力。,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
14、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,贡献,线性高分子的胶接体系轻度交联的高分子胶接体系,可解释同种或结构、性能相近的高分子化合物的胶接作用。,提高扩散的措施,降低分子量,提高接触时间,提高胶接温度,局限,不能解释金属和陶瓷、玻璃等无机物的胶接现象无法解释聚甲基丙烯酸甲酯（Mw=9万，溶解度参数=9.24）和聚苯乙烯（Mw=3万，溶解度参数=9.12）各自以7.5%的溶液共溶于甲苯中，而它们的固相却互不扩散的现象。,4 电子理论（双电层
15、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,当胶接接头以极慢的速度剥离时，电荷可以从极板部分逸出，降低了电荷间的引力，减少了剥离时消耗的功当快速剥离时，电荷没有足够的逸出，粘附功偏高,解释了粘附功与剥离速度有关克服了吸
16、附理论的不足,5 化学键理论,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。,发生化学反应，形成化学键,活性基团,偶联剂,表面处理,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,配位键理论,7.2 粘接技术,接头设计,胶粘剂选择,工艺方法,表面处理,胶接强度,7.2.1 粘接接头的设计粘接接头：被粘接
17、材料通过胶黏剂进行连接的部位。粘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。,粘接接头的基本形式（1）搭接接头（lap joint）：由两个被粘接部分的叠合，粘接在一起所形成的接头,(2)面接接头（surface joint）两个被粘接物主表面粘接在一起所形成的接头,(3)对接接头（butt joint）被粘接物的两个端面与被粘接物主表面垂直,(4)角接接头（angle joint）两被粘接物的主表面端部形成一定角度的粘接接头,接头胶层在外力作用时，有四种受力情况。,（a）均匀扯离,（b）剪切,（c）剥离,（d）不均匀扯离,拉应力：外力与粘接面垂直，且均匀分布于整
18、个粘接面。剪切力：外力与粘接面平行，且均匀分布于粘接面上。剥离力：外力与粘接面成一定角度，并集中分布在胶接面的某一线上。劈裂力（不均匀扯离力）：外力配置于整个粘接面，但不均匀分布在整个粘接面上。应力集中较为严重。,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。拉应力包括均匀扯离（正拉）力，不均匀扯离（劈裂）力和剥离力。,实践表明，胶接接头的抗剪切及抗拉伸能力强，抗剥离和扯离能力弱。设计接头时应尽可能使接头承受剪切或拉伸载荷。,胶接接头的设计要点,设计接头尽量承受拉伸和剪切负荷；,保证胶接面上应力分布均匀，尽量避免由于剥离和劈裂 负载造成应力集中；,尽量增加胶接面的宽度；,木材或层压制
19、品的胶接要防止层间剥离；,在承受较大作用力的情况下，可采用复式连接形式；,胶接接头形式要美观，表面平整，易于加工；,当有较大冲击、振动时，应在胶接面之间增加玻璃布层 等缓冲材料,3、胶接接头的结构形式,胶接接头分为对接、搭接和角接头三种。,圆柱形接头,板件接头,锥形及盲孔接头,角接头,胶黏剂的选择与改进,根据粘接实际的主要矛盾选择胶黏剂；应考虑被胶接件材料的性质；根据胶接件的形状、结构和胶接工艺来选择胶黏剂；要考虑各种被胶接零件所承受的负荷和形式；考虑胶接零件在使用过程中受周围环境影响的各种因素；保持胶黏剂的持久强度；对特殊要求的考虑；注意各种经济指标,4）按一定条件进行固化；,胶接的基本工艺过程,1）清除胶接件表面的油污或氧化层；,2）按配方比例配制胶粘剂；,3）采用适当方法涂胶（如喷涂、刷涂等），保证厚 薄合适、均匀无缺、无气泡；,5）粘接工艺中的补强措施；,6）质量检验，常用方法有：,超声波探伤；,放射同位素摄影；,激光全息摄影。,X光探伤；,思 考 题1、张力小的液体物质可很好的湿润表面张力大的物质，反之则不行，为什么？2、PP、PTFE均属难粘材料，粘接前应如何进行表面活化处理？3、粘接接头有哪几种基本形式？简述粘接接头设计的基本原则。,
