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理论动态——影响胶粘剂粘接强度的物理因素分析

     

       影响胶粘剂粘接强度的主要有化学因素和物理因素,本文予以分析影响粘结强度的物理因素有哪些。

一、表面粗糙度。

  当胶粘剂能够良好地浸润被粘材料表面时(接触角θ<90°),表面的粗糙化有利于提高胶粘剂液体对表面的浸润程度,增加胶粘剂与被粘材料的接触点密度,增强胶粘剂与被粘基材的附着力,从而有利于提高粘接强度;反之当胶粘剂对被粘材料浸润不良时(接触角θ>90°),表面的粗糙化就不利于粘接强度的提高。

二、被粘材料表面处理。

  粘接前的表面处理是粘接成功的关键因素之一,其目的是能获得牢固耐久的接头。由于被粘材料存在氧化层(如锈蚀)、镀铬层、磷化层、脱模剂等形成的“弱边界层”,被粘物的表面处理将影响粘接强度。如聚乙烯表面可用热铬酸氧化处理而改善粘接强度,加热到70-80℃时处理1-5分钟,就会得到良好的可粘接表面,这种方法适用于聚乙烯板、厚壁管等。而聚乙烯薄膜用铬酸处理时只能在常温下进行,如在上述温度下进行,则薄膜的表面处理采用等离子或微火焰处理。

  对天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶表面用浓硫酸处理时,希望橡胶表面轻度氧化,故在涂酸后较短的时间就要将硫酸彻底洗掉。过度的氧化反而在橡胶表面留下更多的脆弱结构,不利于粘接。对硫化橡胶表面局部粘接时,表面处理除去脱膜剂,不宜采用大量溶剂洗涤,以免脱膜剂扩散到处理面上妨碍粘接。

  铝及铝合金的表面处理,希望铝表面生成氧化铝结晶,而自然氧化的铝表面是十分不规则的、相当疏松的氧化铝层,不利于粘接。所以需要除去自然氧化铝层,但过度的氧化会在粘接接头中留下薄弱层。

三、渗透。

  已粘接的接头受环境因素的作用,常常被渗进一些其他低分子。如接头在潮湿环境或水下,水分子则可能会渗透入胶层;聚合物胶层在有机溶剂中,溶剂分子渗透入聚合物中。低分子的透入先使胶层变形,然后进入胶层与被粘物界面,使胶层强度降低,从而导致粘接的破坏。

  渗透不仅从胶层边沿开始,对于多孔性被粘物,低分子物还可以从被粘物的空隙、毛细管或裂缝中渗透到被粘物中,进而侵入到界面上,使接头出现缺陷乃至破坏。渗透不仅会导致接头的物理性能下降,而且由于低分子物的渗透使界面发生化学变化,生成不利于粘接的锈蚀区,使粘接完全失效。

四、压力。

  在粘接时向粘接面施以压力,使胶粘剂更容易充满被粘体表面上的坑洞,甚至流入深孔和毛细管中,减少粘接缺陷。对于粘度较小的胶粘剂,加压时会过度地流淌而造成缺胶。因此应待粘度较大时再施加压力,也促使被粘体表面上的气体逸出,减少粘接区的气孔。 对于较稠的或固体的胶粘剂,在粘接时施加压力是必不可少的手段。在这种情况下,常常需要适当地升高温度,以降低胶粘剂的稠度或使胶粘剂液化。例如,绝缘层压板的制造、飞机旋翼的成型都是在加热加压下进行。

  为了获得较高的粘接强度,对不同的胶粘剂应考虑施以不同的压力。一般对固体或高粘度的胶粘剂施高的压力,而对低粘度的胶粘剂施低的压力。

五、迁移。

  如果被粘材料中含有增塑剂,由于这些小分子化合物与聚合物大分子的相容性较差,较易从聚合物表层或界面上迁移出来。迁移出的小分子若聚集在界面上就会妨碍胶粘剂与被粘材料的粘接,造成粘接失效。

六、胶层厚度。

  较厚的胶层易产生气泡、缺陷和早期断裂,因此应使胶层尽可能薄一些,以获得较高的粘接强度。另外厚胶层在受热后的热膨胀在界面区所造成的热应力也较大,更容易引起接头破坏。在实际的接头上作用的应力是复杂的,包括剪切应力、剥离应力和交变应力。

  剪切应力:由于偏心的张力作用,在粘接端头出现应力集中,除剪切力外,还存在着与界面方向一致的拉伸力和与界面方向垂直的撕裂力。此时,接头在剪切应力作用下被粘物的厚度越大,接头的强度则越大。

  剥离应力:被粘物为软质材料时将发生剥离应力的作用。这时在界面上有拉伸应力和剪切应力作用,力集中于胶粘剂与被粘物的粘接界面上,因此接头很容易破坏。由于剥离应力的破坏性很大,在设计时尽量避免采用会产生剥离应力的接头方式。

  交变应力:在接头上胶粘剂因交变应力而逐渐疲劳,在远低于静应力值的条件下破坏。强韧的、弹性的胶粘剂其耐疲性能应当良好,如橡胶态胶粘剂

七、内应力,包括收缩应力和热应力。

  收缩应力:当胶粘剂固化时,因挥发、冷却和化学反应而体积发生收缩而引起收缩应力。当收缩力超过粘附力时,表观粘接强度就要显著下降。此外,粘接端部或胶粘剂的空隙周围应力分布不均匀,也产生应力集中,增加了裂口出现的可能。有结晶性的胶粘剂在固化时,因结晶而使体积收缩较大,也造成接头的内应力。如在其中加入一定量能结晶或改变结晶大小的橡胶态物质,那么就可以减少内应力,如在热固性树脂胶中加增韧剂就是一个很好的例子,酚醛-缩醛胶配方中,当缩醛含量低于40%时,接头发生单纯界面破坏;而在40%以上时则为内聚破坏,粘接强度明显增强。

  热应力:在高温下,熔融的树脂冷却固化时会产生体积收缩,在界面上由于粘接的约束而产生内应力。在分子链间有滑移的可能性时,则产生的内应力消失。 影响热应力的主要因素有热膨胀系数、室温和Tg间的温差以及弹性差量等。为了缓和因热膨胀系数差而引起的热应力,应使胶粘剂的热膨胀系数接近于被粘物的热膨胀系数。加填料是一种好办法,可添加该种材料的粉末、或其化材料的纤维或粉末。

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