影響粘接強(qiáng)度的三個(gè)物理因素介紹

粘接強(qiáng)度的好壞除了受黏料的組成結(jié)構(gòu)及有關(guān)的物理力學(xué)性能影響外，還與一些物理因素有關(guān)，這些因素中主要有被粘物表面光滑情況、界面狀況、應(yīng)力分布等。這些因素雖不屬于產(chǎn)生粘接力的基本物理化學(xué)過程，但它們的影響是不可忽視的，有時(shí)甚至是決定性的。

    (1)粗糙度和表面形態(tài)

    被粘物表面的粗糙程度是產(chǎn)生機(jī)械粘接力的源泉，在浸潤(rùn)性好(θ<90°)的情況下膠黏劑在粗糙表面的浸潤(rùn)性比在光滑表面上好。在浸潤(rùn)性不好(θ>90°)時(shí)膠黏劑在粗糙表面上的浸潤(rùn)性能低于在光滑表面上的浸潤(rùn)性能。在θ＝90°時(shí)則膠黏劑對(duì)兩種表面的浸潤(rùn)性相等。因此，在對(duì)被粘物表面進(jìn)行糙化處理時(shí)，須注意所用膠液對(duì)該表面的浸潤(rùn)情況，浸潤(rùn)性不好就不適宜進(jìn)行糙化處理。另外，糙化能增大粘接強(qiáng)度的原因是增大了接觸面積，但糙化過度易滯留空氣，有損浸潤(rùn)作用而不利于粘接強(qiáng)度。除了粗糙度以外，被粘表面的污染情況對(duì)粘接強(qiáng)度的影響也很大，它們不利于膠液的浸潤(rùn)作用，常使粘接失敗。

    (2)弱界面層

    當(dāng)膠黏劑與被粘物之間的粘接力主要來源于分子間力的作用，而膠黏劑和被粘物中存在相容性差，易遷移(向界面)的低分子量雜質(zhì)，并且這種低分子量雜質(zhì)對(duì)被粘接物表面的吸附力比對(duì)膠黏劑強(qiáng)時(shí)，界面間的作用力就會(huì)削弱，即產(chǎn)生了弱界面層。這種弱界面層的存在常使接頭在此處脫開而使粘接失敗。加強(qiáng)靜電引力，去掉有害的低分子雜質(zhì)，增大交聯(lián)程度，引入化學(xué)鍵合或使用偶聯(lián)劑等方法可以減小或去掉弱界面層，加強(qiáng)粘接作用。

    用聚乙烯作為膠黏劑對(duì)鋁進(jìn)行試驗(yàn)，其粘接強(qiáng)度僅相當(dāng)于聚乙烯本身拉伸強(qiáng)度的百分之幾。但如除去聚乙烯的含氧雜質(zhì)或低分子物，其粘接強(qiáng)度就高得多。如把含氧雜質(zhì)如油酸量加大到0.1%時(shí)，粘接強(qiáng)度顯著下降。如油酸量達(dá)到1%，則完全失去粘接強(qiáng)度。

    吸附理論認(rèn)為，產(chǎn)生弱界面層的過程實(shí)際上是低分子物質(zhì)解吸界面區(qū)膠黏劑分子的過程。為此，通過化學(xué)吸附或通過靜電力、擴(kuò)散作用產(chǎn)生粘接力的接頭不會(huì)有弱界面層。

    雖然弱界面層的產(chǎn)生主要來源于小分子雜質(zhì)的存在，但在膠黏劑或被粘物中含有低分子物不一定產(chǎn)生弱界面層。如環(huán)氧樹脂或聚氯乙烯中加入適當(dāng)?shù)脑鏊軇r(shí)，非但不會(huì)降低強(qiáng)度，而且改善了粘接性能。這是因?yàn)樵鏊軇┡c環(huán)氧樹脂等有良好的混溶性，不會(huì)析出和集中到界面區(qū)形成弱界面層。

    (3)內(nèi)應(yīng)力

    單位截面上附加的力為應(yīng)力，接頭在未受到外力作用時(shí)內(nèi)部所具有的應(yīng)力為內(nèi)應(yīng)力。在膠層固化時(shí)因體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力為收縮應(yīng)力；膠層與被粘物之間由于膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力。這是膠層內(nèi)應(yīng)力的兩個(gè)主要來源，前者具有永久性，后者為暫時(shí)性的，即在溫度回原后熱應(yīng)力也隨之消失。粘接接頭中存在內(nèi)應(yīng)力將導(dǎo)致強(qiáng)度大大下降，甚至?xí)斐山宇^自動(dòng)破裂。

    膠黏劑不管用什么方法固化，都難免發(fā)生一定的體積收縮。如果在失去流動(dòng)性之后體積還沒有達(dá)到平衡值，進(jìn)-步固化就會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。

    熱熔膠的固化也伴隨著嚴(yán)重的體積收縮，熔融聚苯乙烯冷卻至室溫體積收縮率為5%，而具有結(jié)晶性的聚乙烯從熔融狀態(tài)冷卻至室溫體積收縮率高達(dá)14%。

    通過化學(xué)反應(yīng)來固化的膠黏劑，體積收縮率分布在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)。縮聚反應(yīng)體積收縮很嚴(yán)重，因?yàn)榭s聚時(shí)反應(yīng)物分子中有-部分變成小分子逸出，例如酚醛樹脂固化時(shí)放出水分子，因此其固化過程中收縮率比環(huán)氧樹脂大很多。

    烯類單體或預(yù)聚體的雙鍵發(fā)生加聚反應(yīng)時(shí)，體積收縮率也比較大。例如不飽和聚酯固化體積收縮率高達(dá)10%。環(huán)氧樹脂固化過程中體積收縮率比較低，這是環(huán)氧膠黏劑有很高的粘接強(qiáng)度的重要原因。

    由于收縮應(yīng)力來源于膠黏劑固化至失去流動(dòng)性之后進(jìn)-步固化所產(chǎn)生的那部分體積收縮，所以對(duì)熱固性膠黏劑來說，反應(yīng)物的官能度愈高，發(fā)生凝膠化時(shí)官能團(tuán)的反應(yīng)程度就愈低，固化之后將會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力。這可能是高官能度的環(huán)氧化酚醛樹脂膠黏劑的粘接強(qiáng)度要比雙酚A型環(huán)氧樹脂膠黏劑低的原因之-。

    降低固化過程中的體積收縮率對(duì)于熱固性樹脂的許多應(yīng)用都有十分重要的意義，降低活性官能團(tuán)濃度，利用聚合物增韌劑，加入惰性填料均能降低固化時(shí)的體積收縮。

    熱膨脹系數(shù)不同的材料被粘接在-起，溫度變化會(huì)在界面中造成熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小正比于溫度的變化、膠黏劑與被粘物膨脹系數(shù)的差別以及材料的彈性模量。

    粘接兩種膨脹系數(shù)相差很大的材料時(shí)熱應(yīng)力的影響尤其明顯。例如用環(huán)氧樹脂把1cmX 3cmX 20cm的硬鋁和-種同樣大小的陶瓷塊粘接在-起，固化溫度是120℃，在冷卻至室溫后，粘接件自動(dòng)開裂。為了避免熱應(yīng)力，可選擇比較低的固化溫度，例如采用室溫固化的環(huán)氧-聚酰胺膠黏劑就能得到滿意的粘接強(qiáng)度。采用模量低、伸長(zhǎng)率高的膠黏劑或適當(dāng)提高膠層厚度可使熱應(yīng)力能通過膠黏劑的變形釋放出來。

    內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生除了與固化時(shí)的體積收縮及膠層各組分的線膨脹系數(shù)差別等有關(guān)外，還與膠層的老化過程密切相關(guān)。在熱老化過程中，由于熱氧的作用和揮發(fā)性物質(zhì)的逸出，會(huì)使膠層進(jìn)-步收縮。相反，在潮濕環(huán)境中由于膠層的吸濕會(huì)造成膠層膨脹。因此在老化過程中接頭的內(nèi)應(yīng)力也在不斷地變化著，還可能加速老化的進(jìn)程。

    厚的膠層往往存在較多的缺陷，因此，一般來說膠層厚度減少，粘接強(qiáng)度升高。當(dāng)然，膠層過薄也會(huì)引起缺陷而降低粘接強(qiáng)度。不同的膠黏劑或同種膠黏劑使用目的不同，要求膠層厚度也不同，大多數(shù)合成膠黏劑以0.05-0.1mm厚為宜，無機(jī)膠黏劑以0.1-0.2mm為宜。

    膠層厚度也與接頭所承受的應(yīng)力類型有關(guān)。單純的拉伸、壓縮或剪切，膠層越薄，強(qiáng)度越大。膠層厚時(shí)剝離強(qiáng)度會(huì)適當(dāng)提高；對(duì)于沖擊負(fù)荷，彈性模量小的膠黏劑，膠層厚則抗沖擊強(qiáng)度高；而對(duì)彈性模量大的膠黏劑，沖擊強(qiáng)度與膠層厚度無關(guān)。

隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，常因黏料的老化而降低粘接強(qiáng)度。膠層的老化與膠黏劑的物理化學(xué)變化、使用時(shí)的受力情況及使用的環(huán)境有關(guān)。冷熱變更將引起接頭中內(nèi)應(yīng)力變更，使粘接強(qiáng)度下降，干濕交替使極性黏料構(gòu)成的膠層脫膠，光、熱、氧、水等可使膠層老化。