2022-10-17 10:35:15

粘接是不同材料界面間接觸后相互作用的結(jié)果。因此，界面層的作用是膠粘科學(xué)中研究的基本問(wèn)題。諸如被粘物與粘料的界面張力、表面自由能、官能基團(tuán)性質(zhì)、界面間反應(yīng)等都影響膠接。膠接是綜合性強(qiáng)，影響因素復(fù)雜的一類(lèi)技術(shù)，而現(xiàn)有的膠接理論都是從某一方面出發(fā)來(lái)闡述其原理，所以至今全面唯一的理論是沒(méi)有的。以下介紹幾個(gè)方面的粘接作用機(jī)理。這些膠黏劑的粘合機(jī)理，對(duì)于我們工程師在解決研究涂料涂層在不同底材上的附著力問(wèn)題也是有很大借鑒作用。

一、吸附理論

人們把固體對(duì)膠粘劑的吸附看成是膠接主要原因的理論，稱為膠接的吸附理論。

理論認(rèn)為：粘接力的主要來(lái)源是粘接體系的分子作用力，即范德華引力和氫鍵力。膠粘與被粘物表面的粘接力與吸附力具有某種相同的性質(zhì)。膠粘劑分子與被粘物表面分子的作用過(guò)程有兩個(gè)過(guò)程：

第一階段是液體膠粘劑分子借助于布朗運(yùn)動(dòng)向被粘物表面擴(kuò)散，使兩界面的極性基團(tuán)或鏈節(jié)相互靠近。在此過(guò)程中，升溫、施加接觸壓力和降低膠粘劑粘度等都有利于布朗運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。

第二階段是吸附力的產(chǎn)生。當(dāng)膠粘劑與被粘物分子間的距離達(dá)到5-10?時(shí)，界面分子之間便產(chǎn)生相互吸引力，使分子間的距離進(jìn)一步縮短到處于最大穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算，由于范德華力的作用，當(dāng)兩個(gè)理想的平面相距為10?時(shí)，它們之間的引力強(qiáng)度可達(dá)10-1000MPa；當(dāng)距離為3-4?時(shí)，可達(dá)100-1000MPa。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)代最好的結(jié)構(gòu)膠粘劑所能達(dá)到的強(qiáng)度。因此，有人認(rèn)為只要當(dāng)兩個(gè)物體接觸很好時(shí)，即膠粘劑對(duì)粘接界面充分潤(rùn)濕，達(dá)到理想狀態(tài)的情況下，僅色散力的作用，就足以產(chǎn)生很高的膠接強(qiáng)度?？墒菍?shí)際膠接強(qiáng)度與理論計(jì)算相差很大，這是因?yàn)楣腆w的力學(xué)強(qiáng)度是一種力學(xué)性質(zhì)，而不是分子性質(zhì)，其大小取決于材料的每一個(gè)局部性質(zhì)，而不等于分子作用力的總和。計(jì)算值是假定兩個(gè)理想平面緊密接觸，并保證界面層上各對(duì)分子間的作用同時(shí)遭到破壞時(shí)，也就不可能有保證各對(duì)分子之間的作用力同時(shí)發(fā)生。

膠粘劑的極性太高，有時(shí)候會(huì)嚴(yán)重妨礙濕潤(rùn)過(guò)程的進(jìn)行而降低粘接力。分子間作用力是提供粘接力的因素，但不是唯一因素。在某些特殊情況下，其他因素也能起主導(dǎo)作用。

二、化學(xué)鍵形成理論

化學(xué)鍵理論認(rèn)為膠粘劑與被粘物分子之間除相互作用力外，有時(shí)還有化學(xué)鍵產(chǎn)生，例如硫化橡膠與鍍銅金屬的膠接界面、偶聯(lián)劑對(duì)膠接的作用、異氰酸酯對(duì)金屬與橡膠的膠接界面等的研究，均證明有化學(xué)鍵的生成?；瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度比范德華作用力高得多；化學(xué)鍵形成不僅可以提高粘附強(qiáng)度，還可以克服脫附使膠接接頭破壞的弊病。但化學(xué)鍵的形成并不普遍，要形成化學(xué)鍵必須滿足一定的條件，所以不可能做到使膠粘劑與被粘物之間的接觸點(diǎn)都形成化學(xué)鍵。況且，單位粘附界面上化學(xué)鍵數(shù)要比分子間作用的數(shù)目少得多，因此粘附強(qiáng)度來(lái)自分子間的作用力是不可忽視的。

三、弱界層理論

當(dāng)液體膠粘劑不能很好浸潤(rùn)被粘體表面時(shí)，空氣泡留在空隙中而形成弱區(qū)。又如，當(dāng)中含雜質(zhì)能溶于熔融態(tài)膠粘劑，而不溶于固化后的膠粘劑時(shí)，會(huì)在固體化后的膠粘層中形成另一相，在被粘體與膠粘劑整體間產(chǎn)生弱界面層（WBL）。產(chǎn)生WBL除工藝因素外，在聚合物成網(wǎng)或熔體相互作用的成型過(guò)程中，膠粘劑與表面吸附等熱力學(xué)現(xiàn)象中產(chǎn)生界層結(jié)構(gòu)的不均勻性也會(huì)導(dǎo)致。不均勻性界面層就會(huì)有WBL出現(xiàn)。這種WBL的應(yīng)力松弛和裂紋的發(fā)展都會(huì)不同，因而極大地影響著材料和制品的整體性能。

四、擴(kuò)散理論

兩種聚合物在具有相容性的前提下，當(dāng)它們相互緊密接觸時(shí)，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)或鏈段的擺動(dòng)產(chǎn)生相互擴(kuò)散現(xiàn)象。這種擴(kuò)散作用是穿越膠粘劑、被粘物的界面交織進(jìn)行的。擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致界面的消失和過(guò)渡區(qū)的產(chǎn)生。粘接體系借助擴(kuò)散理論不能解釋聚合物材料與金屬、玻璃或其他硬體膠粘，因?yàn)榫酆衔锖茈y向這類(lèi)材料擴(kuò)散。

五、靜電理論

當(dāng)膠粘劑和被粘物體系是一種電子的接受體-供給體的組合形式時(shí)，電子會(huì)從供給體（如金屬）轉(zhuǎn)移到接受體（如聚合物），在界面區(qū)兩側(cè)形成了雙電層，從而產(chǎn)生了靜電引力。

在干燥環(huán)境中從金屬表面快速剝離粘接膠層時(shí)，可用儀器或肉眼觀察到放電的光、聲現(xiàn)象，證實(shí)了靜電作用的存在。但靜電作用僅存在于能夠形成雙電層的粘接體系，因此不具有普遍性。此外，有些學(xué)者指出：雙電層中的電荷密度必須達(dá)到10²¹電子/厘米²時(shí)，靜電吸引力才能對(duì)膠接強(qiáng)度產(chǎn)生較明顯的影響。而雙電層棲移電荷產(chǎn)生密度的最大值只有10¹⁹電子/厘米²（有的認(rèn)為只有10¹⁰-10¹¹電子/厘米²）。因此，靜電力雖然確實(shí)存在于某些特殊的粘接體系，但決不是起主導(dǎo)作用的因素。

六、機(jī)械作用力理論

從物理化學(xué)觀點(diǎn)看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。膠粘劑滲透到被粘物表面的縫隙或凹凸之處，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了嚙合力，這些情況類(lèi)似釘子與木材的接合或樹(shù)根植入泥土的作用。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力。在粘合多孔材料、紙張、織物等時(shí)，機(jī)構(gòu)連接力是很重要的，但對(duì)某些堅(jiān)實(shí)而光滑的表面，這種作用并不顯著。

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