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粘接理论及其评价

迄今为止还未建立起一个完整的章节理论,现将几种流行的理论作一简要介绍,并对其加以评价。

机械理论

机械理论是论述粘附机理最早提出的理论,它把粘接看成是粘接剂和被粘物的纯机械啮合或镶嵌作用,由于任何固体表面都是不平滑的,即使是超精研磨的表面,其粗糙度含有0.026微米左右,因此胶粘接剂便很容易的渗透到这些凹凸不平遍布沟壑的表面中去,粘合后便与詹物相互粘合或嵌入,从而把胶黏剂与被粘物牢固的连接在一起。

按照机械理论的观点,粘贴强度只取决于胶黏剂和被粘物的内聚强度,且胶黏剂应是万能的,一种胶黏剂,可以粘接多种不同的材料则显然是不符合实际情况的。同时,机械理论也说明不了表面化学性能的改变对粘接强度的显著影响。

大量实践证明,机械作用不是粘合力的主要因素。有些表面上看来是靠被粘接物表面粗糙而提高粘接强度(为表面用砂纸打磨或喷砂处理都能使粘接强度提高),但这并非主要是粗糙表面的机械作用,而是由于表面清洁而活性提高,表面积增大有利于润湿及加强机械啮合等因素综合作用的结果。因此,机械理论是一个很不完整的理论。

吸附理论

吸附理论是现今较为普遍的理论,按照这个理论,胶接作用是由胶黏剂与被粘物分子在界面相互吸附并产生分子之间的作用力而引起的,因此产生粘合的过程可分为两个阶段,第一个阶段是液态胶黏剂分子借助于布朗运动向被粘物表面扩散并逐渐靠近被粘物表面。第二个阶段是当胶黏剂分子与被粘物表面的分子距离接近于10时,次价力开始发生作用,并随着距离的进一步缩小而增至最强。这两个阶段是不能截然分开的,实际上这在胶黏剂完全固化前,这两个过程都在进行。

对于不同的胶黏剂——被粘物系统,粘和作用可以是色散力的单独作用,也可以是色散力与诱导力,取向力氢键等的共同作用。这些作用力的大小除与两者的分子结构有关外,还与分子间的距离有很大关系。

由上所述,胶黏剂与被粘物的表面接触程度是产生强粘附作用的关键,而胶黏剂对被粘物表面的浸润作用是胶黏剂分子在表面扩散和产生粘附的必要条件。一般说来,胶黏剂分子对被粘物表面分子有较大的吸引力,则粘附强度就大。比如天然橡胶与聚苯乙烯的粘附力不是很大,但氯丁橡胶与聚苯乙烯却有较好的粘附性,这是由于聚氯丁二烯分子中的氯原子使苯基极化而产生诱导效应,从而提高较高的粘附强度。从经验得知凡是高分子链接上带有极性基团的高分子化合物一般均具有良好的粘附性能。

用吸附理论来解释粘接机理虽然比较广泛,但仍存在一些问题。首先,吸附理论是从物理吸附的角度来论述的,而没有考虑到化学吸附的作用,物理吸附的特点是容易解吸收,如果胶黏剂和被粘物之间仅发生物理吸附,胶黏剂必然会被空气中的水分所解吸收,粘附现象就会消失。其次,根据吸附理论分子间作用力的概念,运用热力学方法通过测定表面张力和接触角所得到的热力学粘附功比实际测得的粘附功要小的多,这一点吸附理论不能作出满意的解释,就是说粘合力的产生不单纯是分子间作用力的结果。第三,吸附理论还不能很好的解释非极性高聚物胶黏剂的良好粘接问题,如聚异丁烯和天然橡胶之间较强的粘合力等,也不能解释的阿尔法氢基丙烯酸酯胶黏剂能粘贴非极性的聚苯乙烯等材料的问题,因此说吸附理论仍是不完整的。

扩散理论

扩散理论是根据高聚物分子的扩散作用来论述粘接机理的一种理论,其论点是高聚物分子的链状结构与柔顺性,该理论认为胶黏剂和被粘物分子之间仅仅接触是不够的,必须向琥珀产产能形成牢固的粘接接头,如果被耽误是高分子材料粘贴剂,也是具有链状结构的聚合物分子在一定条件下,由于分子或链段的布朗运动胶黏剂分子和被粘物不像风扇是可能的。在粘盒过程中,界面附近将逐渐形成胶黏剂与被粘物嗯备战高聚物相互扩散的混音曲,其暂不强度随时间的增加而增值最大值。如果胶黏剂与被粘物二者同属同一聚合物及其惠农区逐渐消失。这种相同聚合物之间的粘合层为之年,两种不同聚合物年合适它们的大分子相互扩散,称为粘合。

不难理解,扩散理论只是适用于分子能够移动并具有包容性的链状高聚物分子之间的粘合胶黏剂和被粘物之间的相互扩散是产生粘合力的主要因素,胶接强度必然与他们之间的相容性相关,因此不具有互溶性的聚合物之间难以粘合,热塑性塑料的焊接和溶剂粘接都可看作为聚合物分子相互扩散产生言和的结果。

高聚物分子之间的相互溶解或相互扩散必须具备一定的条件。从热力学观点出发,一个过程自由,在系统的自由能减少的情况下,才有可能发生。当然,高聚物分子之间的相互溶解和相互扩散,还必须考虑到动力学问题极易溶解速度和扩散速度的问题。

由上可见,扩散理论可以较好的解释某些热塑性胶黏剂交接高分子材料的现象,如胶接强度是随接触时间的增加而增加,随分子量的增大而减小以及温度升高的而增加等等,但它对不同聚合物之间的粘合作用尚不能做出完整的解释,甚至还未涉及高分子胶黏剂和无机物及金属材料之间的交接问题,因此,扩展理论仍具有很大的局限性。

静电理论

静电理论是根据两个物体接触时产生起电现象这一原理来论述胶结机理的,该理论认为胶黏剂与被粘物之间存在着双电层,粘附力主要有双电层的静电力所致。在干燥的环境中,从被粘金属物的表面快速剥离胶膜时发现的防电发声和发光现象,是提出静电理论的实验依据。在胶黏剂被粘物系统的界面上双电层构成一个电容器,界面两侧的胶黏剂和被粘物表面相当于电容器的两个极板,当从被粘物表面剥离胶模时与将电容器的两个极板分开时的情况极为相似,此时所产生的电位差随极板间距离的增加而增大,增大到一定数值时便开始放电,此时粘附功等于电容器瞬时放电的能量,即 式中w:WA为粘附功,δ为密度,D为介电常数,h为电容器两板之间的距离。

静电理论虽然能够解释一些粘贴现象,但它对于一些不具备产生接触电势的材料,如大部分导电性材料等反而具有较强的沾合力,不能解释另外,当两种高聚物的极性越接近时,它们间的结合就越好,这显然与形成双电层的观点相矛盾。因此,经验理论也具有很大的局限性。

化学键理论

化学键理论是根据某些胶黏剂和被粘物间的界面能发生化学作用为出发点来论述粘接机理的,该理论认为粘合作用是由胶黏剂与被粘物之间形成化学键而引起的,因为化学键的强度要比范德华力强很多,因而可以大大提高粘附力。

高聚物与金属之间形成化学键的典型例子是硫化橡胶与黄铜之间的粘接,用电子衍射法可以证明黄铜的表面形成了一层硫化亚铜,它通过硫原子与橡胶分子结合在一起,用差热分析法可以证明酚醛树脂和铝之间在130度时可以发生化学反应。经过化学氧化处理的铝表面与环氧树脂之间在胶黏剂固化的条件下,也有可能发生某种化学反应。聚丙烯的表面经辐射接枝聚合引入具有反应活性的基团,能使它对金属表面的胶接强度大大提高。

一些偶联剂对粘附力的提高作用可以通过化学键理论得到很好的解释。偶联剂分子必须带有能与被粘物表面发生化学反应的基团,而分子的另一端能与胶黏剂发生化学反应。

无机胶黏剂与被粘物之间界面上的化学反应也很明显,当用磷酸氧化铜等胶黏剂粘接铝、铁等工作时,在铝、铁的表面上明显的镀上一层铜。

化学键的作用还在于能够改善胶接接头的抗环境侵蚀和耐老化能力,例如能和被粘物表面发生化学吸附的酚醛-丁腈粘接剂,其粘接接头经高湿环境加速老化,试验后仍能保持很高的粘接强度。

尽管化学键理论可以从某些方面揭示了粘接过程的本质,但两个物质间要形成化学键,必须满足一定的量子化条件,是否胶粘剂与被粘物之间都能满足这一条件仍然是一个有待研究的问题。

综上所述,各种交接理论都有一定的实验依据,也都能满意的解释一些胶结现象,但都存在着一定的局限性,这也同时说明胶接过程是一种复杂的物理化学现象,随着胶接技术的不断发展和众多研究者的不懈努力,胶接理论将会变得日趋完善。

文章分类: 基础知识    概念
2021-11-13 13:43:04
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