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常识

胶粘剂的粘接技术与原理

来源:林中祥胶粘剂技术信息网2016年09月23日

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  胶粘剂:通过界面的粘附和物质的内聚等作用,能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质,统称为胶粘剂,又叫做粘合剂,习惯上称为胶。简而言之,胶粘剂就是通过粘合作用,能使被粘物结合在一起的物质。胶粘剂是通用术语,包括一些胶水、胶泥、胶浆、胶膏等。

  胶粘剂必须要通过适当的粘接过程才会发挥它的功能。对每一种胶粘剂而言,他并不是万能的,不同品种、不同品牌的胶粘剂都有其特殊的适用对象和施工方法,不同材料在不同场合使用对所用胶粘剂的要求也不尽相同。可以说,为了提高材料的粘接强度,充分发挥胶粘剂的功能,先进合理的粘接技术与胶粘剂有同等重要的作用。

  所谓粘接是指两个表面靠化学力、物理力或两者兼有的力使之结合在一起的状态。粘接时胶粘剂首先必须在被粘物表面粘附,这是由于两相之间产生了粘合力,该力来源于次价键力、或主价键力。

  1、粘接的一般过程

  在进行粘接之前,首先要对被粘表面进行适当的处理,然后将准备好的胶粘剂均匀地涂覆在被粘物表面上,接着便是胶粘剂湿润、流变、扩散、渗透、叠合之后,使之紧密接触。当胶粘剂的大分子与被粘物表面的距离小于0.5nm时,则会相互吸引,产生范德华力或形成氢键、配位键、共价键、离子键、金属键等,加上渗入孔隙中的胶粘剂,固化后生成无数的小“胶钩子”,从而完成了粘接过程,于是获得了牢固的粘接。一般来说,粘接过程就是表面处理、涂胶、叠合、固化、后处理等,是一复杂的物理化学过程。

  2、粘接表面特征

  粘接的对象皆是固体,按其聚集状态可分为晶体和非晶体。然而,粘接作用仅发生在表面及其薄层,因此,粘接实质上是一种界面现象,与固体表面的特征息息相关。

  固体表面的复杂性:任何固体表面层的结构和性质与它的内部完全不同,经过长时间暴露之后,其差别更为显著。固体表面往往是由吸附气体、附着水膜、氧化物、油脂、尘埃等组成,因而是不清洁的,也是很复杂的。

  固体表面的粗糙性:宏观上平整光滑的表面,在微观上都是很粗糙的,凸凹不平,似是峰谷交错。两个固体表面的接触,实际上只是高峰点的接触,其接触面积仅为几何面积的1%。

  固体表面的多孔性:固体表面布满了大小不同的孔隙,有些材料基体本身就是多孔的,表面当然也不例外。就是基材本身密实的材料,表面也会因粗糙、氧化、腐蚀等作用形成多孔表面。

  固体表面的高性能:由于固体表面结构的不均匀性,处于表面凸出部分的高峰棱角或台阶处的原子或分子的力场不均衡,因此这些不为具有更高的能量,也就是说,固体表面的能量高于内部的能量。

  固体表面的吸附性:因固体表面的能量高,为使其稳定,必然吸附一些物质,这就表现出吸附性,这样一来,即使是新制备的表面,也很难保持绝对的清洁。

  3、粘接作用的形成

  粘接的作用是发生在相互接触的界面间,首先是胶粘剂对被粘表面的充分的湿润,但良好的湿润只是必要条件,实现粘接还必须具备满足充分条件,这就是胶粘剂和被粘物之间形成足够的粘合力。概括而言,粘接作用的形成,一是湿润性,二是粘合力,两者必须同时兼备。湿润又称润湿,是液体在固体表面分子间力作用下的均匀铺展现象,也就是液体对固体的亲和性。两者间的接触角越小,固体表面就越容易湿润。液体的湿润主要由表面张力所引起的,液体和固体皆有表面张力,对液体成为表面张力,而固体称为表面能。湿润性主要由胶粘剂和被粘物的表面张力所决定,还与工艺条件、环境因素等有关。

  胶粘剂对被粘物的湿润只是粘接的前提,还必须能够形成粘接力,才能达到粘接的目的。粘接力是指胶粘剂与被粘物之间的连接力,它的产生不仅取决于胶粘剂和被粘物表面的结构和状态,而且还与粘接过程的工艺条件密切相关,粘接力是胶粘剂被粘物在界面上的作用力或结合力,包括机械嵌合力、分子间力和化学建立。

  机械嵌合力:是胶粘剂分子经扩散渗透进入被粘表面孔隙中固化后镶嵌而产生的结合力,类似于草木扎根泥土、轮船抛锚水底,因此也称为投锚力。这种嵌合力虽然很小,却是不可忽略的。

  分子间力:是胶粘剂于被粘物之间分子相互吸引的力,包括范德华力和氢键,其作用距离为0.3~0.5nm。范德华力是色散力、取向力、诱导力的总称。氢键比范德华力大很多,接近于弱的化学键。分子间力是产生粘接力最普遍的原因。

  化学键力:是胶粘剂与被粘物表面能够形成的化学键,有共价键、配位键、离子键、金属键等,键能比分子间力高得多,化学键的结合是很坚固的,对粘接强度的影响极大。

  三种力对粘接力各自贡献大小尚难确定,可以认为,粘接力是机械嵌合力、分子间力和化学键力综合作用的结果。机械嵌合力和分子间力是普遍存在的。若能形成化学键,尽管数目可能不多,却会使粘接力大增。

  总之,粘接作用的形成,湿润是先决条件,流变是第一阶段,扩散是重要过程,渗透是有益作用。成键是决定因素。

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