第二章胶接基础案例

第二章胶接基础胶接接头：被胶接材料通过胶黏剂进行连接的部位。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。胶接接头的基本形式（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)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(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(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接头胶层在外力作用时，有四种受力情况。（a）正拉（b）剪切（c）剥离（d）劈裂①拉应力：外力与胶接面垂直，且均匀分布于整个胶接面。②剪切力：外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上。③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。④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。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。第一节形成胶接的条件1.胶接的基本过程1.1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，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。理想的胶接强度，可以在一些假定的前提下计算出来。因为这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，所以理想的胶接强度比实际测得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。式中Z0是两相达到平衡时的距离；Wa为胶接功。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的影响时，所消耗的能即为粘合能，也就是胶接力。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在大多数聚合物的分子相互作用，只存在色散力的情况下，一般Z0=0.2nm，Wa=10-5J／cm2，于是σa≈1500MPa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，则值更要大得多。即使如此，这一计算出来的理想胶接胶接强度，也要比实际胶接强度大两个数量级以上。1.2实际的胶接实际的胶接，大多数都要使用胶黏剂，才能使两个固体通过表面结合起来。聚合物处于橡胶态温度以上时(未达熔融态)，通过加压紧密接触，使两块处于橡胶态的聚合物，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，这时不需要胶黏剂也可能使聚合物胶接起来。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。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，这就更需要依靠胶黏剂来实现胶接。在胶接过程中，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，最后仍能形成以次价力为主的或化学键的胶接键。这就是胶接的基本过程。全过程的关键作用是润湿、扩散和形成胶接键。2润湿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。为此，一般要将被胶接体表面的空气、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。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接触，并达到产生分子作用力的0.5nm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，达到最宜润湿与胶接的表面状态。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。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）式中，θ为接触角，也称为润湿角；γSV为固气界面张力；γLV为液气界面张力；γSL为固液界面张力。此式应处于热力学平衡状态才有意义。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'胶接功的方程式来判断润湿Wa=γSV+γLV-γSL（2）式中Wa为胶接功，是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。因为γSV、γLV两种表面张力测试麻烦，将式(1)代入式(2)中得：Wa=γLV(1+cosθ)此式称为Young-Dupre‘方程，θ越小，Wa越大。(3)用铺展系数来判断润湿铺展系数为S=γSV-γSL-γLV当S=0，表示可能发生液体在固体表面上自动铺展，即能润湿；S0，必然发生铺展，即润湿性好；S0，不能铺展，即不润湿。由此可知，θ值尽可能小，Wa和S尽可能大，则胶黏剂对被粘物的润湿性好，有利于提高胶接强度。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胶黏剂的γLV，容易铺展润湿；低能表面的γc一般胶黏剂的γLV，所以不易铺展润湿。临界表面张力γc较大的被粘物，选择比被粘物γc小的胶黏剂比较容易，有较多的胶黏剂品种可供选择。但γc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γc只有19mN／m，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。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胶接强度。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，所以胶接强度不会很高。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，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。4形成胶接键利用胶黏剂粘接被粘物，最终的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。胶黏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。当胶黏剂固化或硬化后，生成的胶接键即被固定下来而保有强度。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。其次，胶黏剂与被粘物界面上，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。第二节影响胶接作用的因素1胶黏剂的作用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。胶黏剂作用的目的之一，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，通过胶黏剂产生高度的分子接触，提高胶接强度。在开始施加胶黏剂的时候，胶黏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。然后，胶黏剂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。3表面能胶黏剂与基体之间的接触程度也受到表面能的影响。Zisman曾经指出，接触角对衡量接触程度是有用的量度。液体胶黏剂和高表面能固体之间的分子相互作用能，—般都超过液体分子本身的内聚能。金属、金属氧化物和各种无机物都是高能表面，如与其接触的液体或胶黏剂的粘度很低，表面张力也低,则其接触角很小，可以自动润湿铺展，分子相互接触紧密，胶接强度可能高。反之，许多极性的液体胶黏剂和非极性的聚乙烯或其他聚合物，由于低能表面以及和液体胶黏剂的极性不相匹配，形成的接触角大，胶接效果不好，胶接强度也不会高。实践证明，凡是液体或胶黏剂表面张力低于基体表面张力，就会表现出良好的润湿铺展效果，并且分子接触比较紧密，意味着会出现较高的胶接强度。非极性聚合物如聚乙烯和聚四氟乙烯的表面能和临界表面张力分别为γs=35.7、23.9mN／m，γc=31.19mN／m，低于一般胶黏剂的表面张力值(78～33mN／m)，所以润湿与胶接的效果均不好。只有进行表面改性，提高表面能，才能满足胶接要求。4弱边界层胶黏剂与被粘物之间，应当有良好的分子接触，才能达到较高的胶接强度。如在胶接接头内，存在相当低的强度区域，那末，即使胶黏剂与被粘物之间有良好的接触，接头强度也并不会很高。边界层主要是指固体、液体、气体紧密接触的边缘部分，从物理角度看，通常是指流经固体表面最接近的流体层，对传热、传质和动量均有特殊影响，但没有独立的相，这一点和界面是有一定区别的。如边界层内存在低强度区域，则称为弱边界层。聚合物基体内，形成弱边界层的原因，可能有以下几种：①聚合过程所带入的杂质影响，如从聚合反应釜中掉进去的润滑油，这是低分子量的有机杂质；②聚合过程未全部转化的残余低分子量尾料；③加入的抗氧剂、增塑剂、紫外光吸收剂、润滑剂等低分子量助剂的影响；④成型加工过程中带入的杂质，如脱模剂的影响；⑤商品在贮存运输过程中，不慎带入的杂质。第三节胶接理论了解胶接理论，不但可以从理论上指导胶黏剂选择，胶接接头的设计，制定最佳的胶接工艺，控制影响胶接强度的各种因素，达到形成强力胶接接头的目的。更重要的是了解胶接的内在机理，包括胶接与被粘对立统一的关系，胶接过程中的物理、化学变化，从而对胶接现象，从感性认识深化到本质与规律性的理性认识。经过几十年的研究和发展，许多学者从不同的角度，提出了许多有价值的理论。虽然这些理论尚有争论，还没有公认的统一理论，但在解释胶接现象方面，均各有可取的观点，目前仍在不断地发