迄今為止還未建立起一個(gè)完整的章節(jié)理論,現(xiàn)將幾種流行的理論作一簡(jiǎn)要介紹,并對(duì)其加以評(píng)價(jià)。 機(jī)械理論機(jī)械理論是論述粘附機(jī)理最早提出的理論,它把粘接看成是粘接劑和被粘物的純機(jī)械嚙合或鑲嵌作用,由于任何固體表面都是不平滑的,即使是超精研磨的表面,其粗糙度含有0.026微米左右,因此膠粘接劑便很容易的滲透到這些凹凸不平遍布溝壑的表面中去,粘合后便與詹物相互粘合或嵌入,從而把膠黏劑與被粘物牢固的連接在一起。 按照機(jī)械理論的觀點(diǎn),粘貼強(qiáng)度只取決于膠黏劑和被粘物的內(nèi)聚強(qiáng)度,且膠黏劑應(yīng)是萬(wàn)能的,一種膠黏劑,可以粘接多種不同的材料則顯然是不符合實(shí)際情況的。同時(shí),機(jī)械理論也說(shuō)明不了表面化學(xué)性能的改變對(duì)粘接強(qiáng)度的顯著影響。 大量實(shí)踐證明,機(jī)械作用不是粘合力的主要因素。有些表面上看來(lái)是靠被粘接物表面粗糙而提高粘接強(qiáng)度(為表面用砂紙打磨或噴砂處理都能使粘接強(qiáng)度提高),但這并非主要是粗糙表面的機(jī)械作用,而是由于表面清潔而活性提高,表面積增大有利于潤(rùn)濕及加強(qiáng)機(jī)械嚙合等因素綜合作用的結(jié)果。因此,機(jī)械理論是一個(gè)很不完整的理論。 吸附理論吸附理論是現(xiàn)今較為普遍的理論,按照這個(gè)理論,膠接作用是由膠黏劑與被粘物分子在界面相互吸附并產(chǎn)生分子之間的作用力而引起的,因此產(chǎn)生粘合的過(guò)程可分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是液態(tài)膠黏劑分子借助于布朗運(yùn)動(dòng)向被粘物表面擴(kuò)散并逐漸靠近被粘物表面。第二個(gè)階段是當(dāng)膠黏劑分子與被粘物表面的分子距離接近于10時(shí),次價(jià)力開(kāi)始發(fā)生作用,并隨著距離的進(jìn)一步縮小而增至最強(qiáng)。這兩個(gè)階段是不能截然分開(kāi)的,實(shí)際上這在膠黏劑完全固化前,這兩個(gè)過(guò)程都在進(jìn)行。 對(duì)于不同的膠黏劑——被粘物系統(tǒng),粘和作用可以是色散力的單獨(dú)作用,也可以是色散力與誘導(dǎo)力,取向力氫鍵等的共同作用。這些作用力的大小除與兩者的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與分子間的距離有很大關(guān)系。 由上所述,膠黏劑與被粘物的表面接觸程度是產(chǎn)生強(qiáng)粘附作用的關(guān)鍵,而膠黏劑對(duì)被粘物表面的浸潤(rùn)作用是膠黏劑分子在表面擴(kuò)散和產(chǎn)生粘附的必要條件。一般說(shuō)來(lái),膠黏劑分子對(duì)被粘物表面分子有較大的吸引力,則粘附強(qiáng)度就大。比如天然橡膠與聚苯乙烯的粘附力不是很大,但氯丁橡膠與聚苯乙烯卻有較好的粘附性,這是由于聚氯丁二烯分子中的氯原子使苯基極化而產(chǎn)生誘導(dǎo)效應(yīng),從而提高較高的粘附強(qiáng)度。從經(jīng)驗(yàn)得知凡是高分子鏈接上帶有極性基團(tuán)的高分子化合物一般均具有良好的粘附性能。 用吸附理論來(lái)解釋粘接機(jī)理雖然比較廣泛,但仍存在一些問(wèn)題。首先,吸附理論是從物理吸附的角度來(lái)論述的,而沒(méi)有考慮到化學(xué)吸附的作用,物理吸附的特點(diǎn)是容易解吸收,如果膠黏劑和被粘物之間僅發(fā)生物理吸附,膠黏劑必然會(huì)被空氣中的水分所解吸收,粘附現(xiàn)象就會(huì)消失。其次,根據(jù)吸附理論分子間作用力的概念,運(yùn)用熱力學(xué)方法通過(guò)測(cè)定表面張力和接觸角所得到的熱力學(xué)粘附功比實(shí)際測(cè)得的粘附功要小的多,這一點(diǎn)吸附理論不能作出滿意的解釋,就是說(shuō)粘合力的產(chǎn)生不單純是分子間作用力的結(jié)果。第三,吸附理論還不能很好的解釋非極性高聚物膠黏劑的良好粘接問(wèn)題,如聚異丁烯和天然橡膠之間較強(qiáng)的粘合力等,也不能解釋的阿爾法氫基丙烯酸酯膠黏劑能粘貼非極性的聚苯乙烯等材料的問(wèn)題,因此說(shuō)吸附理論仍是不完整的。 擴(kuò)散理論擴(kuò)散理論是根據(jù)高聚物分子的擴(kuò)散作用來(lái)論述粘接機(jī)理的一種理論,其論點(diǎn)是高聚物分子的鏈狀結(jié)構(gòu)與柔順性,該理論認(rèn)為膠黏劑和被粘物分子之間僅僅接觸是不夠的,必須向琥珀產(chǎn)產(chǎn)能形成牢固的粘接接頭,如果被耽誤是高分子材料粘貼劑,也是具有鏈狀結(jié)構(gòu)的聚合物分子在一定條件下,由于分子或鏈段的布朗運(yùn)動(dòng)膠黏劑分子和被粘物不像風(fēng)扇是可能的。在粘盒過(guò)程中,界面附近將逐漸形成膠黏劑與被粘物嗯備戰(zhàn)高聚物相互擴(kuò)散的混音曲,其暫不強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而增值最大值。如果膠黏劑與被粘物二者同屬同一聚合物及其惠農(nóng)區(qū)逐漸消失。這種相同聚合物之間的粘合層為之年,兩種不同聚合物年合適它們的大分子相互擴(kuò)散,稱為粘合。 不難理解,擴(kuò)散理論只是適用于分子能夠移動(dòng)并具有包容性的鏈狀高聚物分子之間的粘合膠黏劑和被粘物之間的相互擴(kuò)散是產(chǎn)生粘合力的主要因素,膠接強(qiáng)度必然與他們之間的相容性相關(guān),因此不具有互溶性的聚合物之間難以粘合,熱塑性塑料的焊接和溶劑粘接都可看作為聚合物分子相互擴(kuò)散產(chǎn)生言和的結(jié)果。 高聚物分子之間的相互溶解或相互擴(kuò)散必須具備一定的條件。從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),一個(gè)過(guò)程自由,在系統(tǒng)的自由能減少的情況下,才有可能發(fā)生。當(dāng)然,高聚物分子之間的相互溶解和相互擴(kuò)散,還必須考慮到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題極易溶解速度和擴(kuò)散速度的問(wèn)題。 由上可見(jiàn),擴(kuò)散理論可以較好的解釋某些熱塑性膠黏劑交接高分子材料的現(xiàn)象,如膠接強(qiáng)度是隨接觸時(shí)間的增加而增加,隨分子量的增大而減小以及溫度升高的而增加等等,但它對(duì)不同聚合物之間的粘合作用尚不能做出完整的解釋,甚至還未涉及高分子膠黏劑和無(wú)機(jī)物及金屬材料之間的交接問(wèn)題,因此,擴(kuò)展理論仍具有很大的局限性。 靜電理論靜電理論是根據(jù)兩個(gè)物體接觸時(shí)產(chǎn)生起電現(xiàn)象這一原理來(lái)論述膠結(jié)機(jī)理的,該理論認(rèn)為膠黏劑與被粘物之間存在著雙電層,粘附力主要有雙電層的靜電力所致。在干燥的環(huán)境中,從被粘金屬物的表面快速剝離膠膜時(shí)發(fā)現(xiàn)的防電發(fā)聲和發(fā)光現(xiàn)象,是提出靜電理論的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在膠黏劑被粘物系統(tǒng)的界面上雙電層構(gòu)成一個(gè)電容器,界面兩側(cè)的膠黏劑和被粘物表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)極板,當(dāng)從被粘物表面剝離膠模時(shí)與將電容器的兩個(gè)極板分開(kāi)時(shí)的情況極為相似,此時(shí)所產(chǎn)生的電位差隨極板間距離的增加而增大,增大到一定數(shù)值時(shí)便開(kāi)始放電,此時(shí)粘附功等于電容器瞬時(shí)放電的能量,即 式中w:WA為粘附功,δ為密度,D為介電常數(shù),h為電容器兩板之間的距離。 靜電理論雖然能夠解釋一些粘貼現(xiàn)象,但它對(duì)于一些不具備產(chǎn)生接觸電勢(shì)的材料,如大部分導(dǎo)電性材料等反而具有較強(qiáng)的沾合力,不能解釋另外,當(dāng)兩種高聚物的極性越接近時(shí),它們間的結(jié)合就越好,這顯然與形成雙電層的觀點(diǎn)相矛盾。因此,經(jīng)驗(yàn)理論也具有很大的局限性。 化學(xué)鍵理論化學(xué)鍵理論是根據(jù)某些膠黏劑和被粘物間的界面能發(fā)生化學(xué)作用為出發(fā)點(diǎn)來(lái)論述粘接機(jī)理的,該理論認(rèn)為粘合作用是由膠黏劑與被粘物之間形成化學(xué)鍵而引起的,因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度要比范德華力強(qiáng)很多,因而可以大大提高粘附力。 高聚物與金屬之間形成化學(xué)鍵的典型例子是硫化橡膠與黃銅之間的粘接,用電子衍射法可以證明黃銅的表面形成了一層硫化亞銅,它通過(guò)硫原子與橡膠分子結(jié)合在一起,用差熱分析法可以證明酚醛樹(shù)脂和鋁之間在130度時(shí)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)過(guò)化學(xué)氧化處理的鋁表面與環(huán)氧樹(shù)脂之間在膠黏劑固化的條件下,也有可能發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。聚丙烯的表面經(jīng)輻射接枝聚合引入具有反應(yīng)活性的基團(tuán),能使它對(duì)金屬表面的膠接強(qiáng)度大大提高。 一些偶聯(lián)劑對(duì)粘附力的提高作用可以通過(guò)化學(xué)鍵理論得到很好的解釋。偶聯(lián)劑分子必須帶有能與被粘物表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán),而分子的另一端能與膠黏劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 無(wú)機(jī)膠黏劑與被粘物之間界面上的化學(xué)反應(yīng)也很明顯,當(dāng)用磷酸氧化銅等膠黏劑粘接鋁、鐵等工作時(shí),在鋁、鐵的表面上明顯的鍍上一層銅。 化學(xué)鍵的作用還在于能夠改善膠接接頭的抗環(huán)境侵蝕和耐老化能力,例如能和被粘物表面發(fā)生化學(xué)吸附的酚醛-丁腈粘接劑,其粘接接頭經(jīng)高濕環(huán)境加速老化,試驗(yàn)后仍能保持很高的粘接強(qiáng)度。 盡管化學(xué)鍵理論可以從某些方面揭示了粘接過(guò)程的本質(zhì),但兩個(gè)物質(zhì)間要形成化學(xué)鍵,必須滿足一定的量子化條件,是否膠粘劑與被粘物之間都能滿足這一條件仍然是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。 綜上所述,各種交接理論都有一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù),也都能滿意的解釋一些膠結(jié)現(xiàn)象,但都存在著一定的局限性,這也同時(shí)說(shuō)明膠接過(guò)程是一種復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象,隨著膠接技術(shù)的不斷發(fā)展和眾多研究者的不懈努力,膠接理論將會(huì)變得日趨完善。 |
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