胶接理论

第二章胶接基础大约3个世纪前，牛顿对胶接现象作了科学的论述。大约100年前，Young通过表面张力的研究，提出了著名的Young方程。1.胶接理论发展简史稍后，Dupre研究了表面张力与粘附功的关系，奠定了古典热力学胶接理论的基础。Cooper首先提出了湿润的概念。1.胶接理论发展简史20世纪40年代以来，胶接理论的研究出现了高峰：A.D.Mclaren等人提出的吸附理论；Deryaguin等人得出的静电理论；Voyutskii等人提出的扩散理论等。1.胶接理论发展简史60年代以来：胶接界面化学、胶接破坏机理等方面的研究也取得很大进展，建立并逐步完善了化学键理论、弱界面层理论、机械结合理论和胶粘剂流变学理论等。1.胶接理论发展简史胶接接头：被胶接材料通过胶粘剂进行连接的部位。（1）定义2.胶接接头胶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：（1）定义2.胶接接头①搭接接头（lapjoint）：由两个被胶接部分的叠合，胶接在一起所形成的接头。（2）基本形式2.胶接接头②面接接头（surfacejoint）两个被胶接物主表面胶接在一起所形成的接头。（2）基本形式2.胶接接头③对接接头（buttjoint）被胶接物的两个端面与被胶接物主表面垂直。（2）基本形式2.胶接接头④角接接头（anglejoint）两被胶接物的主表面端部形成一定角度的胶接接头。（2）基本形式2.胶接接头接头胶层在外力作用时，有四种受力情况：（a）正拉拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀分布于整个胶接面。（3）受力分析（b）剪切剪切力：外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上。（3）受力分析（c）剥离剥离力：外力与胶接面成一定角度，并集中分布在胶接面的某一线上。（3）受力分析（d）劈开劈裂力（不均匀扯离力）：外力垂直于胶接面，但不均匀分布在整个胶接面上。（3）受力分析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。（3）受力分析A.理想的胶接理想的胶接是当两个表面彼此紧密接触之后，分子间产生相互作用；（1）胶接的基本过程2.形成胶接的条件A.理想的胶接两个表面产生的相互作用，达到一定程度而形成胶接键，胶接键可能是次价键或主价键，最后达到热力学平衡的状态。（1）胶接的基本过程2.形成胶接的条件•理想的胶接，因为是从理想状态出发的，没有考虑一系列可能影响胶接强度的实际因素，所以实际是不存在的，但可以在一些假定的前提下将理想胶接的强度计算出来。A.理想的胶接•一般，理想的胶接强度比实际的胶接强度要大几个数量级，理想的胶接有理论意义，有利于分析理解胶接的机理，对实际的胶接过程有重要的指导意义。A.理想的胶接在温度和压力不发生变化的前提下，把两个已经胶接起来的相，从平衡状态可逆地分开到无穷远，彼此的分子不再存在任何相互作用时，所消耗的能量即为粘合能，也就是胶接力。A.理想的胶接Z0：两相达到平衡时的距离；Wa：胶接功。单位面积上所需的胶接力，称为理想胶接强度，以σa表示：02/1)3(916ZWaa大多数聚合物的分子相互作用，只存在色散力，一般Z0=0.2nm，Wa=10-5J／cm2，于是σa≈1500MPa02/1)3(916ZWaa如果分子相互作用力不仅是色散力，还有氢键力，诱导力甚至化学键力的话，则Z0和Wa值更要大得多，即使如此，计算出来的理想胶接强度σa，也要比实际胶接强度大两个数量级以上。实际的胶接，大多数都要使用胶粘剂，才能使两个固体通过表面结合起来。B.实际的胶接2.形成胶接的条件（1）胶接的基本过程当聚合物处于橡胶态温度以上时(未达熔融态)，利用加压使两块处于橡胶态的聚合物紧密接触；B.实际的胶接两块紧密接触的聚合物，通过界面上分子间的扩散，生成物理结点或分子相互作用引力，这时不需要胶粘剂也可能使聚合物胶接起来。B.实际的胶接不过，由于所需要的压力大，时间长，又要消耗热能，而且有许多降低胶接力的影响因素并未排除，使分子间不易达到紧密接触，得到的胶接强度并不理想。B.实际的胶接金属、无机材料不存在橡胶态，在固态的情况下，即使加压、加热，也不可能达到分子接触，这就更需要依靠胶粘剂来实现胶接。B.实际的胶接（1）胶接的基本过程在实际添加胶黏剂的胶接过程中，由于胶粘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，使界面与胶黏剂分子紧密接触。B.实际的胶接当界面与胶黏剂分子紧密接触后，胶粘剂分子通过自身的运动，建立起最合适的构型，胶黏剂分子与界面达到吸附平衡。B.实际的胶接（1）胶接的基本过程随后，胶粘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。B.实际的胶接金属或无机物：由于受结晶结构的约束，分子较难运动，但胶粘剂在硬化前，分子可以扩散到表面氧化层的微孔中去，达到胶黏剂分子与被黏物界面的紧密接触。B.实际的胶接胶黏剂分子与被黏物界面的紧密接触后，仍能形成以次价力或化学键为主的胶接键。简言之：胶接的基本过程关键是润湿、扩散和形成胶接键。B.实际的胶接为形成良好的胶接，首先要求胶粘剂分子和被胶接材分子充分接触。（2）润湿2.形成胶接的条件为此，一般要将被胶接体表面的空气、水蒸气等气体排除，使胶粘剂液体和被胶接材接触：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。（2）润湿胶粘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，胶粘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。（2）润湿当被粘物表面存在凹凸不平和峰谷的粗糙表面形貌时，能因胶粘剂的润湿和铺展，起填平峰谷的作用，使两个被粘物表面通过胶粘剂而大面积接触，并达到产生分子作用力的0.5nm以下的近程距离。（2）润湿这就要求要选择能起良好润湿效果的胶粘剂，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，达到最宜润湿与胶接的表面状态，要尽量避免润湿不良的情况。（2）润湿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。（2）润湿2.形成胶接的条件此外，表面未润湿的微细孔穴，粘接时未排尽空气或胶粘剂带入的空气泡，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。（2）润湿气液接触时的三种状态不润湿部分润湿（临界）完全润湿（2）润湿判断润湿性可用接触角来衡量，这可用Young方程来表示：SV=LVcos+SL（1）（2）润湿θ：接触角，也称为润湿角；γSV：固气界面张力；γLV：液气界面张力；γSL：固液界面张力。此式应处于热力学平衡状态才有意义。SV=LVcos+SL（1）可从以下几种方式来判断润湿：（1）从接触角(润湿角)来判断习惯上将液体在固体表面的接触角θ=90º时定为润湿与否的分界点。θ＞90º为不润湿，θ＜90º为润湿，接触角θ越小，润湿性能越好。(2)由Dupre'胶接功的方程式判断润湿Wa：胶接功，表征胶接性能的热力学参数。一般Wa值越大，胶接力也越大，润湿性越好。Wa=γSV+γLV-γSL（2）γSV、γLV两种表面张力测试麻烦，将式(1)代入式(2)中得：此式称为Young-Dupre’方程，θ越小，Wa越大，润湿性越好。Wa=γLV(1+cosθ)(3)用铺展系数来判断润湿铺展系数：S=0，液体可在固体表面上自动铺展，能润湿；S0，必然发生铺展，润湿性好；S0，不能铺展，不润湿。S=γSV-γSL-γLVθ值尽可能小，Wa和S尽可能大，胶粘剂对被粘物的润湿性好，有利于提高胶接强度。S=γSV-γSL-γLVWa=γLV(1+cosθ)SV=LVcos+SL•Zisman将固体表面分为高能表面和低能表面，凡表面能200mN／m2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100mN／m2为低能表面，有机化合物、聚合物和水都属低能表面。•高能表面的临界表面张力γc胶粘剂的γLV，容易铺展润湿；低能表面的γc一般胶粘剂的γLV，所以不易铺展润湿。（2）润湿•临界表面张力γc较大的被粘物，选择比被粘物γc小的胶粘剂比较容易，有较多的胶粘剂品种可供选择；γc越小，则越不容易选择能有效润湿的胶粘剂。（2）润湿例如，聚四氟乙烯(PTFE)的γc只有19mN／m，很不容易找到表面张力比这还小的胶粘剂，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技术对被黏物进行表面改性，才能进行粘接。（2）润湿•胶粘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。（3）界面扩散•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胶接强度。（3）界面扩散•若胶粘剂与高分子材料被粘物的相容性不好，或润湿性不良，则胶粘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。（3）界面扩散•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，所以胶接强度不会很高。（3）界面扩散利用胶粘剂粘接金属，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，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。（3）界面扩散不但金属分子不能发生扩散作用，就是胶粘剂的分子也不可能扩散到金属相里面去，所以，胶粘剂粘接金属形成的界面是很清晰的。（3）界面扩散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，会有利于胶粘剂分子的扩散、渗透或相互咬合，有可能提高胶接强度。（3）界面扩散另外，选择强极性的或能与金属表面产生化学键的胶粘剂，也能提高胶接强度，借助偶联剂的作用，也是提高胶接强度的有效方法。（3）界面扩散利用胶粘剂粘接被粘物，最终目的是形成具有一定强度，能满足使用要求的胶接接头。润湿和扩散是胶接过程中出现的现象，其质量直接影响胶接键的强度。（4）形成胶接键2.形成胶接的条件胶粘剂润湿被粘物并发生扩散，在界面上两种分子间产生相互作用，当分子间的距离达到分子作用半径的0.5nm以下时，会生成物理吸附键，即次价键，如表面发生化学吸咐，则生成化学键。（4）形成胶接键当胶粘剂固化或硬化后，生成的胶接键即被固定下来而保有强度。（4）形成胶接键2.形成胶接的条件要获得高强度的胶接接头，首先必要的条件是在界面处要能建立分子级的紧密接触，分子的距离一般应小于0.5nm，否则界面作用力太小，不能承受稍大的应力。（4）形成胶接键其次，胶粘剂与被粘物界面上，最好能通过分子的扩散作用，形成分子间的缠结，这有利于提高强度，为提高胶接强度，还必须掌握影响强度的一系列因素，并加以控制。（4）形成胶接键•绝大多数固体表面，从微观的尺度来看，是凹凸不平的，将这样的表面迭合起来，只有很小的点面能相互接触，大部分的表面都不能接触，因此分子的总吸引力很小，很容易被分开。3.影响胶接作用的因素（1）胶黏剂的作用•胶粘剂作用的目的之一，就在于可将不规则的粗糙表面填补起来，使两个接触不良的表面，通过胶粘剂产生高度的分子接触，提高胶接强度。3.影响胶接作用的因素（1）胶黏剂的作用•在开始施加胶粘剂的时候，胶粘剂应当具有较好的流动性和润湿性，这样才能对固体表面产生良好的润湿铺展，起到填充凹凸不平表面的作用。（1）胶黏剂的作用•然后，胶粘剂又应当能够向界面扩散，并在恰当的时间发生固化或硬化，具有较高的内聚强度，能经受较大的外力作用。（1）胶黏剂的作用不同的胶粘剂品种，有各种不同的固化或硬化方式：•溶剂型胶粘剂是通过溶剂的蒸发或扩散、渗透而固化；（1）胶黏剂的作用•热熔型胶粘剂是通过降低温度而固化；•化学反应型胶粘剂则是在一定的温度