一文解析影響粘接強度的化學(xué)因素及物理因素!

影響粘接強度的化學(xué)因素

影響粘接強度的化學(xué)因素主要指分子的極性、分子量、分子形狀(側基多少及大小)、分子量分布、分子的結晶性、分子對環(huán)境的穩定性(轉變溫度和降解)以及膠粘劑和被粘體中其它組份性質(zhì)PH值等。

 

1
 
極性

一般說(shuō)來(lái)膠粘劑和被粘體分子的極性影響著(zhù)粘接強度,但并不意味著(zhù)這些分子極性的增加就一定會(huì )提高粘接強度。從極性的角度出發(fā)為了提高粘接強度,與其改變膠粘劑和被粘體全部分子的極性,還不如改變界面區表面的極性。例如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯經(jīng)等離子表面處理后,表面上產(chǎn)生了許多極性基團,如羥基、羰基或羧基等,從而顯著(zhù)地提高了可粘接性。

     2
 
分子量

聚合物的分子量(或聚合度)直接影響聚合物分子間的作用力,而分子間作用力的大小決定物質(zhì)的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)的高低,對于聚合物決定其玻璃化轉變溫度Tg和溶點(diǎn)Tm.。所以聚合物無(wú)論是作為膠粘劑或者作為被粘體其分子量都影響著(zhù)粘接強度。

一般說(shuō)來(lái),分子量和粘接強度的關(guān)系僅限于無(wú)支鏈線(xiàn)型聚合物的情況,包括兩種類(lèi)型。第一種類(lèi)型在分子量全范圍內均發(fā)生膠粘劑的內聚破壞,這時(shí),粘接強度隨分子量的增加而增加,但當分子量達到某一數值后則保持不變。第二種類(lèi)型由于分子量不同破壞部分亦不同。這時(shí),在小分子量范圍內發(fā)生內聚破壞,隨著(zhù)分子量的增大粘接強度增大;當分子量達到某一數值后膠粘劑的內聚力同粘附力相等,則發(fā)生混合破壞;當分子量再進(jìn)一步增大時(shí),則內聚力超過(guò)粘附力,浸潤性不好,則發(fā)生界面破壞。結果使膠粘劑為某一分子量時(shí)的粘接強度為最大值。

     3
 
側鏈

長(cháng)鏈分子上的側基是決定聚合物性質(zhì)的重要因素,從分子間作用力考慮,聚合物支鏈的影響是,當支鏈小時(shí),增加支鏈長(cháng)度,降低分子間作用力。當支鏈達到一定長(cháng)度后,開(kāi)始結晶,增加支鏈長(cháng)度,提高分子間作用力,這應當是降低或提高粘接強度的原因。

     4
 
PH值

對于某些膠粘劑,其PH值與膠粘劑的適用期,有較為密切的關(guān)系,影響到粘接強度和粘接壽命。一般強酸、強堿,特別是當酸堿對粘接材料有很大影響時(shí),對粘接常是有害的,尤其是多孔的木材、紙張等纖維類(lèi)材更容易受影響。

由于像熱固性的酚醛樹(shù)脂和脲醛樹(shù)脂的固化過(guò)程受PH值的影響很大,常常要求酸度較大。例如,固化時(shí)在酚醛樹(shù)脂中加入對甲苯磺酸或磷酸,在脲醛樹(shù)脂中加入氯化銨或鹽酸。因此,在不希望酸度大又要粘接的場(chǎng)合,選用中性的間苯酚甲醛樹(shù)脂是適宜的。

將木材表面預先用堿處理,一般可得到牢固的接頭。但還必須注意膠層的PH值,它對膠層比對被膠接表面更有影響。

     5
 
交聯(lián)

聚合物的內聚強度隨交聯(lián)密度的增加面增大,而當交聯(lián)密度過(guò)大時(shí)聚合物則變硬變脆,因而使聚合物耐沖擊強度降低。交聯(lián)聚合物的強度與交聯(lián)點(diǎn)數目和交聯(lián)分子的長(cháng)度密切相關(guān),隨著(zhù)交聯(lián)點(diǎn)數目的增多,交聯(lián)間距的變短以及交聯(lián)分子長(cháng)度的變短,交聯(lián)聚合物會(huì )變得又硬又脆。

     6
 
溶劑和增塑劑

溶劑型膠粘劑的粘接強度當然要受膠層內殘留溶劑量的影響。溶劑量多時(shí),雖浸潤性好,但由于膠粘劑內聚力變小,而使內聚強度降低。膠粘劑聚合物之間的親合力大時(shí),隨著(zhù)溶劑的揮發(fā)粘接強度增大。兩者之間無(wú)親合力時(shí),殘留一些溶劑時(shí)膠粘劑的粘附性卻較大,隨著(zhù)溶劑的揮發(fā),強度反而下降。例如聚醋酸乙烯不能粘接聚乙烯,但加入少量溶劑后則可粘接。顯然,溶劑起了增加兩者間親合力的作用。

增塑劑和溶劑的作用類(lèi)似,有時(shí)即便在粘不上的情況下,加入適當的增塑劑也可粘上。當是,增塑劑也將隨著(zhù)時(shí)間的推移或是揮發(fā),或是向表面滲出,在增塑劑減少的同時(shí)粘接強度不斷下降。相反,有時(shí)被粘物內的增塑劑也會(huì )滲移到膠層里,使膠粘劑軟化而失去內聚粘接強度?;蛟鏊軇┚奂诮缑嫔隙拐辰咏缑娣蛛x。

     7
 
填料

在膠粘劑中配合填料有如下作用:(1)增加膠粘劑的內聚強度;(2)調節粘度或工藝性(例如觸變性);(3)提高耐熱性;(4)調整熱膨脹系數或收縮性;(5)增大間隙的可填充性;(6)給予導電性;(7)降低價(jià)格;(8)改善其他性質(zhì)。

     8
 
結晶性

結晶度高的聚合物分子的縮聚狀態(tài)是有規則的,如果溶點(diǎn)不高,加熱結晶聚合物,將使結晶范圍內的有序的分子排列發(fā)生混亂,分子開(kāi)始向溶融狀態(tài)過(guò)渡。因此,結晶度高的聚合物適宜作熱溶。

     9
 
分解

在使用過(guò)程中,膠粘劑分解是使粘接強度降低成的重要因素,而使膠粘劑分解的原因有水、熱、輻照、酸、堿及其他化學(xué)物質(zhì)。聚合物與水反應而分解稱(chēng)水解。加熱常常又可能導致聚合物交聯(lián),聚合物抗水解能力因其分子中化學(xué)鍵的不同面異。多數水溶性聚合物易于水解。不溶于水的聚合物水解就非常慢,而聚合物吸附水的能力對水解起著(zhù)重要作用,聚合物水解也受結晶性和鏈的構象的明顯影響。由于微量的酸或堿可加速某些聚合物水解,聚酯類(lèi)縮合樹(shù)脂與酸或堿接觸時(shí),很容易水解。環(huán)氧樹(shù)脂的耐濕性根據固化劑的種類(lèi)和使用環(huán)境不同而有明顯的不同,以聚酰胺固化的環(huán)氧樹(shù)脂因酰胺鍵水解而破壞;以多元酸酐固化的環(huán)氧樹(shù)脂因酯鍵的斷裂而解體;聚氨酯也常因酯鍵水解面破壞,而具有醚鍵、碳-碳鍵結構的聚合物,如酚醛樹(shù)脂、丁苯、丁腈橡膠,就不易水解,耐水性良好。

聚合物加熱過(guò)度將引起下列變化:(1)聚合物分子的分解;(2)繼續交聯(lián);(3)可揮發(fā)和可遷移成分的逸出;這些過(guò)程的結果將導致膠粘劑內聚強度下降或界面作用力降低。

聚合物在高溫下會(huì )發(fā)生降解和交聯(lián)的作用,降解使聚合物分子鏈斷裂,分子量下降,使聚合物強度降低,交聯(lián)使分子間形成新的化學(xué)鍵,分子量增加,聚合物強度上升。粘接接頭上聚合物不斷交聯(lián)將使聚合物發(fā)脆,接頭強度變壞。

影響粘接強度的物理因素
     1
 
表面粗糙度

當膠粘劑良好地浸潤被粘材料表面時(shí)(接觸角θ<90°),表面的粗糙化有利于提高膠粘劑液體對表面的浸潤程度,增加膠粘劑與被粘材料的接觸點(diǎn)密度,從而有利于提高粘接強度?反之,當膠粘劑對被粘材料浸潤不良時(shí)(θ>90°),表面的粗糙化就不利于粘接強度的提高?

     2
 
表面處理

粘接前的表面處理是粘接成功的關(guān)鍵,其目的是能獲得牢固耐久的接頭?由于被粘材料存在氧化層(如銹蝕)?鍍鉻層?磷化層?脫模劑等形成的“弱邊界層”,被粘物的表面處理將影響粘接強度?例如,聚乙烯表面可用熱鉻酸氧化處理而改善粘接強度,加熱到70-80oC時(shí)處理1-5分鐘,就會(huì )得到良好的可粘接表面,這種方法適用于聚乙烯板?厚壁管?等?而聚乙烯薄膜用鉻酸處理時(shí),只能在常溫下進(jìn)行?如在上述溫度下進(jìn)行,則薄膜的表面處理,采用等離子或微火焰處理?

對天然橡膠?丁苯橡膠?丁腈橡膠和氯丁橡膠表面用濃硫酸處理時(shí),希望橡膠表面輕度氧化,故在涂酸后較短的時(shí)間,就要將硫酸徹底洗掉?過(guò)度的氧化反而在橡膠表面留下更多的脆弱結構,不利于粘接?

對硫化橡膠表面局部粘接時(shí),表面處理除去脫膜劑,不宜采用大量溶劑洗滌,以免不脫膜劑擴散到處理面上妨礙粘接?

鋁及鋁合金的表面處理,希望鋁表面生成氧化鋁結晶,而自然氧化的鋁表面是十分不規則的?相當疏松的氧化鋁層,不利于粘接?所以,需要除去自然氧化鋁層?但過(guò)度的氧化會(huì )在粘接接頭中留下薄弱層?

3
 
滲透

已粘接的接頭,受環(huán)境氣氛的作用,常常被滲進(jìn)一些其他低分子?例如,接頭在潮濕環(huán)境或水下,水分子滲透入膠層;聚合物膠層在有機溶劑中,溶劑分子滲透入聚合物中?低分子的透入首先使膠層變形,然后進(jìn)入膠層與被粘物界面?使膠層強度降低,從而導致粘接的破壞?

滲透不僅從膠層邊沿開(kāi)始,對于多孔性被粘物,低分子物還可以從被粘物的空隙?毛細管或裂縫中滲透到被粘物中,進(jìn)而侵入到界面上,使接頭出現缺陷乃至破壞?滲透不僅會(huì )導致接頭的物理性能下降,而且由于低分子物的滲透使界面發(fā)生化學(xué)變化,生成不利于粘接的銹蝕區,使粘接完全失效?

4
 
遷移

含有增塑劑被粘材料,由于這些小分子物與聚合物大分子的相容性較差,容易從聚合物表層或界面上遷移出來(lái)?遷移出的小分子若聚集在界面上就會(huì )妨礙膠粘劑與被粘材料的粘接,造成粘接失效?

5
 
壓力

在粘接時(shí),向粘接面施以壓力,使膠粘劑更容易充滿(mǎn)被粘體表面上的坑洞,甚至流入深孔和毛細管中,減少粘接缺陷?對于粘度較小的膠粘劑,加壓時(shí)會(huì )過(guò)度地流淌,造成缺膠?因此,應待粘度較大時(shí)再施加壓力,也促使被粘體表面上的氣體逸出,減少粘接區的氣孔?

對于較稠的或固體的膠粘劑,在粘接時(shí)施加壓力是必不可少的手段?在這種情況下,常常需要適當地升高溫度,以降低膠粘劑的稠度或使膠粘劑液化?例如,絕緣層壓板的制造?飛機旋翼的成型都是在加熱加壓下進(jìn)行?

為了獲得較高的粘接強度,對不同的膠粘劑應考慮施以不同的壓力?一般對固體或高粘度的膠粘劑施高的壓力,而對低粘度的膠粘劑施低的壓力?

6
 
膠層厚度

較厚的膠層易產(chǎn)生氣泡?缺陷和早期斷裂,因此應使膠層盡可能薄一些,以獲得較高的粘接強度?另外,厚膠層在受熱后的熱膨脹在界面區所造成的熱應力也較大,更容易引起接頭破壞?

在實(shí)際的接頭上作用的應力是復雜的,包括剪切應力?剝離應力和交變應力?

(1)切應力:由于偏心的張力作用,在粘接端頭出現應力集中,除剪切力外,還存在著(zhù)與界面方向一致的拉伸力和與界面方向垂直的撕裂力?此時(shí),接頭在剪切應力作用下,被粘物的厚度越大,接頭的強度則越大?

(2)剝離應力:被粘物為軟質(zhì)材料時(shí),將發(fā)生剝離應力的作用?這時(shí),在界面上有拉伸應力和剪切應力作用,力集中于膠粘劑與被粘物的粘接界面上,因此接頭很容易破壞?由于剝離應力的破壞性很大,在設計時(shí)盡量避免采用會(huì )產(chǎn)生剝離應力的接頭方式?

(3)交變應力:在接頭上膠粘劑因交變應力而逐漸疲勞,在遠低于靜應力值的條件下破壞?強韌的?彈性的膠粘劑(如某些橡膠態(tài)膠粘劑)耐疲性能良好?

7
 
內應力

(1)收縮應力:當膠粘劑固化時(shí),因揮發(fā)?冷卻和化學(xué)反應而體積發(fā)生收縮,引起收縮應力?當收縮力超過(guò)粘附力時(shí),表觀(guān)粘接強度就要顯著(zhù)降?此外,粘接端部或膠粘劑的空隙周?chē)鷳Ψ植疾痪鶆?也產(chǎn)生應力集中,增加了裂口出現的可能?有結晶性的膠粘劑在固化時(shí),因結晶而使體積收縮較大,也造成接頭的內應力?如在其中加入一定量能結晶或改變結晶大小的橡膠態(tài)物質(zhì),那么就可以減少內應力?在熱固性樹(shù)脂膠中加增韌劑是一個(gè)最好的說(shuō)明?例如酚醛-縮醛膠,當縮醛含量低于40%時(shí),接頭發(fā)生單純界面破壞;而在40%以上時(shí)則為內聚破壞,粘接強度明顯增強?

(2)熱應力:在高溫下,熔融的樹(shù)脂冷卻固化時(shí),會(huì )產(chǎn)生體積收縮,在界面上由于粘接的約束而產(chǎn)生內應力?在分子鏈間有滑移的可能性時(shí),則產(chǎn)生的內應力消失?

影響熱應力的主要因素有熱膨脹系數?室溫和Tg間的溫差以及彈性差量?

為了緩和因熱膨脹系數差而引起的熱應力,應使膠粘劑的熱膨脹系數接近于被粘物的熱膨脹系數,加填料是一種好辦法,可添加該種材料的粉末?或其化材料的纖維或粉末?

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