高分子材料加工原理第八章

高分子材料成型原理(PrinciplesofPolymerMaterialsProcessing)“高分子材料成型原理”之第八章胶粘剂与涂料制备及应用原理(自学)第一节胶粘剂制备及胶接原理胶接是通过具有粘附能力的物质，把同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法；具有粘附能力的物质称为胶粘剂或粘合剂，被粘接的物体称为被粘物；胶粘剂和被粘物构成的组件称为胶接接头。一、概述（一）胶接与胶粘剂胶接连接的优点：胶接结构为“面连接”；具有黏弹性，能够吸收作用于胶接接头的机械能；不需要外部机械能的介入；减轻重量；可连接不同质材料；具有对介质的优良密封性；胶接工艺比较简便。胶接连接的局限性：胶接要求被粘物有适当的表面状况；合成胶粘剂的耐老化性差；合成胶粘剂的耐温性差；胶接强度的分散性大；胶接质量无损检验的方法尚不能普遍使用。（二）胶粘剂的品质指标1．固化速度在规定的试验条件下，胶粘剂转为不熔状态所需的时间即是该胶粘剂的固化速度。2．剥离强度剥离强度是表征胶粘剂承受线应力能力的指标。在规定的试验条件下，胶粘剂单位宽度上所能承受的平均载荷即为剥离强度，单位为N/m。bLSCTBSLSCB180图剥离强度测试记录曲线式中：TB、180B分别代表T型剥离强度和1800剥离强度（N/cm2）；b为试样宽度（cm）；L为图形底线（EF）的长度（cm）；C为图形上单位长度所表示的负荷（N/cm）。T型剥离1800剥离3．持久强度胶接持久强度是指在一定的应力作用下，胶接接头破坏所需要的时间。持久强度可分为持久剪切强度和持久抗拉强度。4．耐水性通常以耐水系数保持率来表征胶粘剂的耐水性。%1000KK为耐水系数保持率（%）；为耐水后粘接强度（MPa）；0为耐水前粘接强度（MPa）二、胶粘剂的制备胶粘剂的制备过程包括:粘料的合成各种配合剂和固化剂的选择胶液的制备和调配等过程（一）热固性树脂胶粘剂热固性树脂胶粘剂分子量小，分子中含有反应性强的基团，它通过加热、催化剂的加入或两者结合固化成不溶不熔的物质。例：酚醛树脂胶粘剂氨基树脂胶粘剂环氧树脂胶粘剂聚氨酯树脂胶粘剂（二）热塑性树脂胶粘剂例：乙烯基树脂胶粘剂丙烯酸酯系胶粘剂ABS树脂胶粘剂等热塑性树脂胶粘剂由线型聚合物粘料和其它配合剂组成。它不产生交联，能以溶液状态、乳液状态或熔融状态进行胶接操作，使用方便。（三）合成橡胶胶粘剂包括：氯丁橡胶胶粘剂丁腈橡胶胶粘剂聚硫橡胶胶粘剂聚异丁烯、丁基橡胶胶粘剂硅橡胶胶粘剂三、胶接基本原理（一）胶接力的产生胶接接头的结构是由两被粘物(固体)和一胶粘剂(液体或加热后呈液状)三者所组成。胶接接头的强度取决于两方面：胶粘剂本身的内聚强度；胶粘剂与被粘物之间的粘附力，即胶接力。胶接力的来源，包括化学键力、分子间作用力、界面静电引力及机械嵌合力等。（二）形成胶接接头的基本条件胶粘剂必须首先是易流动的液态物质。胶粘剂与被粘物表面必须处于润湿状态。在润湿的前提下，被粘物表面进行适当的糙化。液相胶粘剂必须通过蒸发（溶剂或分散介质）、冷却、聚合、缩合或各种交联方法进行固化以提高内聚强度。胶接接头固化过程中，设法降低残留内应力。在胶接界面区内，避免弱界面层或胶粘剂内的气孔及其他缺陷。（三）胶接过程的界面科学基础1.润湿cosSLSL图液体在固体表面的情况完全润湿时：LSLS一般有机物的液/固体系可忽略SLLS则2.固体表面临界润湿张力()固体的表面自由能不能直接测定，但可用固体表面临界润湿张力反映固体表面自由能的大小。固体表面临界润湿张力不是一个热力学参数，不能与固体的真实表面能混淆，但它可作为评价粘接好坏的一个判据。C3.润湿与粘接的关系当液体润湿固体表面后，将液体从固体界面剥离时所需的功称为粘附功（Wa）。SLLSaW图粘附功（Wa）和内聚功（Wb）)cos1(LaW若θ=0°，bLaWW2所以，在完全润湿的情况下，粘附功等于液体的内聚功。则完全润湿的情况下并非粘附功达到最大。粘附功与液体表面张力及固体值的关系：2)2(LLcabbWb为经验常数，在低表面能固体的情况下约等于0.0262(max)411CCabbW在设计粘接体系时，应当着重于提高被粘物的表面能，而且所挑选的胶粘剂的表面张力要低于被粘物的表面临界润湿张力，这样才能自发润湿，得到较高的粘接性能。C则（四）胶接现象的理化解释1.胶接的吸附理论胶接作用是由胶粘剂和被粘物分子在界面上接触并产生次价键力所引起的。吸附理论的主要结论：胶粘剂与被粘物表面的良好润湿和充分靠近，是提供高胶接强度的必要条件。要形成高强度的胶接接头，就需要增加其真实的接触面积。胶粘剂中的分子对被粘物表面有较大的范德华引力时，则胶接力较大。2.胶接的扩散理论由于分子或链段的热运动，胶粘剂的分子或链段与被粘物的分子或链段能够在表面层相互扩散，形成一个交织的过渡区，粘合界面消失，从而产生牢固的胶接接头。从界面上链段扩散角度来研究胶接现象的理论称为胶接的扩散理论。图不同溶度参数的胶粘剂胶接聚酯膜的胶接强度“相容性问题”3.胶接的静电理论当胶粘剂-被粘物体系是一种电子的接受体-供给体的组合形式时，由于电子从供体相转移到接受体相，在界面区两侧形成了双电层而产生了静电引力。从被粘物表面剥离胶粘剂时，像分开电容器的两个极板一样，能产生电位差。胶接接头的粘附功可看作与两极板的能量相等。极板分离功的计算：hW202式中：W为分离功，σ0为表面电荷密度，h为两极板间拉开的间隙。4.胶接的机械连接理论图两种胶接材料间弯曲的界面示意图如果被粘物表面不光滑，从微观看它是凹凸不平的，胶粘剂可填充在被粘物表面的孔隙与凹凸不平的沟壑中，脱出时会部分受到被粘物的阻碍，表现出“锁-匙”效应。5.胶接的化学键理论胶粘剂与被粘物之间如果能形成化学键，不仅可以提高粘附强度，而且可以改善胶接接头抵抗各种环境作用的能力。化学键的形成的条件：•胶粘剂与被粘物必须带有能相互反应的官能团或可通过某些添加剂与两者进行化学反应；•胶粘剂必须与被粘物润湿，以达到紧密的接触；•在一定的工艺条件下进行(如温度、时间、压力等)。•两种聚合物互相粘接时，也可以通过双官能度的化合物或有机过氧化物在界面上形成共交联。6.弱边界层胶接接头产生后，其断裂可能发生在被粘物，也可能在胶粘剂中，主要是两者中内聚能较弱的一方。由于材料界面处存在较低的内聚强度，所以胶接一般都会在低于它们预期强度的情况下断裂，这些内聚强度较低的物质就构成了“弱边界层”。四、胶接技术（一）胶接接头的设计应尽可能地使胶接接缝所承受载荷的全部或大部分为剪切载荷，其次方为抗拉(扯离)载荷。应尽可能地避免剥离和不均匀拉伸应力作用，如确实难避免，则应采取加固措施应尽可能地增大胶接面积以提高承载能力。在胶接复合材料与层压材料时，应尽可能避免在材料表面或局部面积上造成拉伸载荷，以免使它产生层间剥离。胶接接头应加工制造容易，经济可靠。（二）胶粘剂的选择举例：•未经表面处理的低表面能塑料，可用非极性胶粘剂粘接；经过特殊处理，则可用极性胶粘剂粘接。•塑料与无机材料粘接并在高温或低温环境中使用时，由于两者热膨胀系数的差异，应选用具有弹性的胶粘剂，或者在胶粘剂中添加无机填料。•在粘接不同材料时，会遇到胶粘剂只对某一种被粘物有较好的粘附性能，而对另一种则很差，此时可选用一种底胶，其对难粘的一种被粘物和胶粘剂层有好的粘附性。•溶剂也可作为塑料的胶粘剂，是塑料粘接最简单、最经济的方法。（三）胶接工艺胶接过程包括：对胶接表面进行处理，使表面平整无油并具有一定的粗糙度。胶粘剂的准备涂胶(喷涂、刷涂、辊涂、刮涂、浸涂，注射和层压法等)晾置叠合固化修整(去掉被挤出粘接接头外的多余的边角)第二节涂料配制及涂层形成原理涂料是一种流动状态或粉末状态的物质，能够均匀地覆盖和良好地附着在物体表面形成固体薄膜。它是具有防护、装饰或特殊功能的材料。经过物理化学作用已干燥固化的涂料膜叫涂层（也叫漆膜、涂膜)。(一)涂料的组成涂料的主要成分：树脂基料（包括所添加的增塑剂）颜料（及填料）溶剂（或分散介质）各种助剂：增稠剂、催干剂、抗结皮剂表面活性剂、杀菌（虫剂）防霉剂等。一、概述1.树脂基料树脂基料是涂料配方中的成膜成份，可分为转化型和非转化型。转化型：将未聚合或部分聚合的聚合物基料施涂在底材上，经聚合反应形成固体涂膜。非转化型：将分散或溶解在介质中的聚合物基料，施涂在底材表面上，当分散或溶解介质挥发后，在底材表面留下牢固附着的涂膜。部分非转化型：以固体粉末的形式存在，通过喷涂或沸腾床（或流化床）使粉末粘附于热工件上，再经加热塑化形成连续膜。2.颜料颜料：能分散在基料中，并赋予涂料某些特性的固体粉料。特性：色彩，不透明性、耐久性、机械强度和对金属被涂物的防腐性。3.填料填料：在涂料基料和溶剂中是不溶的，对涂膜几乎没有遮盖能力或着色效果，加入填料可改进液体涂料的流动性及涂膜的机械性能、渗透性、光泽和流平性。涂料中所用的填料：重晶石（硫酸钡）、陶土、云母粉、滑石粉和重质碳酸钙。4.溶剂溶剂：用于溶解树脂组分和改善涂料粘度的挥发性液体。溶剂不仅必须能溶解树脂，而且所形成的溶液应具有一定的粘度；溶剂还必须有适当的挥发速度；此外，理想的溶剂应当是无毒、价廉，以及具有可以接受的气味。5.增塑剂可增加涂膜的柔韧性。主要用于一些刚性或脆性涂膜。6.催干剂催干剂：有机酸的油溶性金属盐，主要用于加速醇酸树脂涂料的固化速度。机理：催化基料中不饱和油组分的氧化交联。最有效的催干剂是铅盐和钴盐。7.生物活性添加剂（1）防污毒剂作用：含有海洋污损物的毒剂，同时以一定速度逐渐释放出毒剂，并足以阻止海洋生物的附着和繁殖。最常用的防污毒剂有氧化汞、三丁基氧化物、金属铜和氧化亚铜。（2）杀菌剂作用：干扰细菌的新陈代谢，因而阻止了酶的合成。常用的杀菌剂是酚或醛的复杂化合物。8.粘度调节剂和抗沉降剂（1）增稠剂作用：使涂料的粘度提高，但并不引起触变现象。（2）触变剂作用：使涂料在零或低剪切速率下具有类似凝胶的结构，只有高剪切速率下发生流动。只要剪切应力被减少到零时，凝胶状态便立即恢复。触变性是一个有用的特性，它可以防止流挂的产生，也能将贮存过程中的沉降减少，甚至完全消除。例如：纤维素醚、微粉化二氧化硅、膨润土等9.颜料分散剂颜料分散剂：即表面活性剂。当颜料、填料在介质中润湿性差或根本不润湿时，常加入表面活性剂来促进颜料和填料的分散。加入量一般为涂料固体量的0.1～0.5%或为颜料量的1%。（二）涂料的品质指标1.透明度对于不含颜料的涂料产品，如清漆、清油和漆料等，透明度是一项重要的技术指标。测试方法：（1）将试样倒入内径为15~1mm的干燥洁净的无色玻璃试管内，于天然散色光线下观察其内部是否有机械杂质和浑浊物等。（2）采用光电式浊度计。2.贮存稳定性表征涂料在密闭桶内贮存过程中质量是否有变化的性能指标。测定：在不同的阶段测定其粘度、干燥时间和光泽等。还需要重点进行产品的沉降试验。3.平流性指涂料刷涂或喷涂在物体表面上，经一定的时间后，观察涂膜是否能平行流展成平滑表面的性能。测试方法：将试样调至施工粘度，涂刷在已有底漆的样板上，使之平滑均匀，然后在涂膜中部用刷子纵向抹一刷痕，测定刷痕消失的时间来评级：不超过10min的为良好，10~15min为合格，经15min后试样表面尚未均匀者为不合格。4.遮盖力指色漆涂成均匀的薄膜，可使涂装表面的底色不再呈现的能力。表示方法:（1）遮盖单位面积所需要的最小用漆量，以g/m2表示；（2）遮盖住底面所需要的最小湿膜厚度，以m来表示。测试方法：采用单位面积重量法%100AmXX-遮盖力（g/m2）；m-黑白格板完全遮盖时涂料用量（g）；A-黑白格板涂装面积（cm2）。5.干燥时间由于涂料的完全干燥需要时间较长，一般只测定涂料的表面干燥时间和实际干燥时间。(1)表面干燥：将棉球放在漆膜上，在距棉球10~15cm处，用