影響膠粘劑粘接強度的物理因素

上次我們剖析了《影響膠粘劑粘接強度的化學(xué)因素》，這次我們來聊一聊物理因素。影響粘接強度的物理因素也有很多，主要有粘接表面粗糙度、表面處理、滲透、遷移、壓力、膠層厚度、內(nèi)應(yīng)力等。

1、表面粗糙度

當(dāng)膠粘劑良好地浸潤被粘材料表面時（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密度，從而有利于提高粘接強度。反之，當(dāng)膠粘劑對被粘材料浸潤不良時（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70-80℃時處理1-5分鐘，就會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，只能在常溫下進行。如在上述溫度下進行,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，希望橡膠表面輕度氧化，故在涂酸后較短的時間，就要將硫酸徹底洗掉。過度的氧化反而在橡膠表面留下更多的脆弱結(jié)構(gòu)，不利于粘接。

對硫化橡膠表面局部粘接時，表面處理除去脫膜劑，不宜采用大量溶劑洗滌，以免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(jié)晶，而自然氧化的鋁表面是十分不規(guī)則的、相當(dāng)疏松的氧化鋁層，不利于粘接。所以，需要除去自然氧化鋁層。但過度的氧化會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，常常被滲進一些其他低分子物。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。低分子物的透入首先使膠層變形，然后進入膠層與被粘物界面。使膠層強度降低，從而導(dǎo)致粘接的破壞?

滲透不僅從膠層邊沿開始,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,進而侵入到界面上,使接頭出現(xiàn)缺陷乃至破壞?滲透不僅會導(dǎo)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(qū),使粘接完全失效?

4、遷移

含有增塑劑被粘材料例如PVC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。遷移出的小分子若聚集在界面上就會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，向粘接面施以壓力，使膠粘劑更容易充滿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。對于黏度較小的膠粘劑,加壓時會過度地流淌，造成缺膠。因此，應(yīng)待粘度較大時再施加壓力，也促使被粘體表面上的氣體逸出，減少粘接區(qū)的氣孔。

對于較稠的或固體的膠粘劑，在粘接時施加壓力是必不可少的手段。在這種情況下，常常需要適當(dāng)?shù)厣邷囟?，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行。

為了獲得較高的粘接強度，對不同的膠粘劑應(yīng)考慮施以不同的壓力。一般對固體或高黏度的膠粘劑施高的壓力，而對低黏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(yīng)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(qū)所造成的熱應(yīng)力也較大，更容易引起接頭破壞。

在實際的接頭上作用的應(yīng)力是復(fù)雜的,包括剪切應(yīng)力?剝離應(yīng)力和交變應(yīng)力?

（1）切應(yīng)力：由于偏心的張力作用，在粘接端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中，除剪切力外，還存在著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,接頭在剪切應(yīng)力作用下,被粘物的厚度越大，接頭的強度則越大。

（2）剝離應(yīng)力：被粘物為軟質(zhì)材料時，將發(fā)生剝離應(yīng)力的作用。這時,在界面上有拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)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(yīng)力的破壞性很大，在設(shè)計時盡量避免采用會產(chǎn)生剝離應(yīng)力的接頭方式。

（3）交變應(yīng)力：在接頭上膠粘劑因交變應(yīng)力而逐漸疲勞，在遠低于靜應(yīng)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(nèi)應(yīng)力

（1）收縮應(yīng)力：當(dāng)膠粘劑固化時，因揮發(fā)、冷卻和化學(xué)反應(yīng)而體積發(fā)生收縮，引起收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮力超過粘附力時，表觀粘接強度就要顯著降。此外，粘接端部或膠粘劑的空隙周圍應(yīng)力分布不均勻，也產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加了裂口出現(xiàn)的可能。有結(jié)晶性的膠粘劑在固化時，因結(jié)晶而使體積收縮較大，也造成接頭的內(nèi)應(yīng)力。如在其中加入一定量能結(jié)晶或改變結(jié)晶大小的橡膠態(tài)物質(zhì)，那么就可以減少內(nèi)應(yīng)力。在熱固性樹脂膠中加增韌劑是一個最好的說明。例如酚醛-縮醛膠，當(dāng)縮醛含量低于40%時，接頭發(fā)生單純界面破壞；而在40%以上時則為內(nèi)聚破壞，粘接強度明顯增強。

（2）熱應(yīng)力：在高溫下,熔融的樹脂冷卻固化時，會產(chǎn)生體積收縮，在界面上由于粘接的約束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在分子鏈間有滑移的可能性時，則產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消失。

影響熱應(yīng)力的主要因素有熱膨脹系數(shù)、室溫和Tg間的溫差以及彈性差量?

為了緩和因熱膨脹系數(shù)差而引起的熱應(yīng)力，應(yīng)使膠粘劑的熱膨脹系數(shù)接近于被粘物的熱膨脹系數(shù)，加填料是一種好辦法，可添加該種材料的粉末或其它材料的纖維或粉末。

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