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粘合机械理论说和吸附理论说

发布日期:2019-01-10 09:43:10     浏览次数:2798

        粘合的几种学说
        目前,粘合机理的观点,主要有机械理论、吸附理论、静电理论,扩散理论和化学键理论等几种学说。这些学说各自从不同的角度对粘合现象的本质进行了解释,推动和促进了粘合技术的发展及粘合理论的深化。但是,由于粘合过程具有十分复杂的物理化学变化,影响粘合的因素太多,所以到目前为止还没有足够充分的实验数据能够建立起套普追适用的完整的粘合理论。尽管如此,我们也应当看到,已经提出的各种论点对于进一步探求粘合机理,指导粘合实践还是十分有用的,所以将下述几个主要的粘合理论分别加以概述。
        (一)机械理论说
        机械力在粘合过程中往往容易被人们所忽视,但在粘合的实际工作中它的影响还是很重要的。这是因为任何物体的表面即使用肉眼看来十分光滑,但若放大以后看起来还是十分粗糙、遍布沟壑的,更何况有些表面本来就是多孔性的,当粘合剂渗透到这些凹凸或孔隙中去并固化以后,就象许多锚钩似地把粘合剂和被粘体连接在一起。于是有人就把粘合作用归因为这种机械连接作用。这种观点称为机械粘合理论。这样的微观机械连接作用对于多孔性材料的粘合强度的确有显著的贡献,但对于非多孔性表面,这种贡献并不重要。所以粘合之前除对粘合面进行清洁处理外,往往还需要进行机械打之类的粗化处理,一方面可以増大粘合的接触面积,另一方面就是增大粘合剂与被粘体表面之间的嵌合作用,形成无数个嵌合点,从而大大提高粘接强度。
        (二)吸附理论说
        根据近代物理学的研究,物质的原子,分子之间都存在着相互作用力。这些作用力可以分为强的作用力,即主价力或化学键力。和弱的作用力即次价力或范德华力。各种作用力的能量见表6-1。
        

        当互相粘合的两相物质之间的距离小于5X时,分子间引力便发生作用而互相吸附,这种作用称为物理吸附作用。它是由范德华力和氢键力组成。固体表面由于物理吸附作用能够吸附液体和气体。许多人认为物理吸附是两相粘合物体之间牢固结合的普遍性原因,这就是吸附理论。范德华力包括偶极力、诱导偶极力和色散力。不同的原子结合成为分子或基团之后,由于各种原子核对电子的亲和性不同,在分子或基团中就产生偶极。带有偶极的极性分子或基团之间正负电荷互相吸引的作用力称为偶极力。由于极性分子的作用使互相靠近的非极性分子也会产生诱导偶极,这种极性分子的偶极和非极性分子的诱导偶极之间亦存在互相作用的吸引力,称为诱导力,非极性分子中由于原子的振动会使正负电荷中心瞬时分开,产生瞬时偶极,从而使分子之间互相吸引,这种瞬时偶极之间的吸引力称为色散力。偶极力存在于极性分子之间。诱导力存在于极性分子。

        氢键是由电负性较大的原子共有质子而产生的,它的键能比其他的次价力大得多接近于弱的化学键。因此可以把它包括在范德华力之内看作一种特殊的偶极力。也可以不包括在范德华力之中,把它看作一种单独的弱的配位键。

        根据计算,当两个理想的平面之间距离为3~4A时,由于范德华力的作用,它们之间的引力可达到10°~104公斤/厘米2。这个数值远远超过了现代最好的结构胶粘剂所能达到的附强度。因此,只要两相表面之间接触得很好,仅仅色散力起作用就足以产生很高的粘附强度。
        在两相物质皆为固体的情况下,这种理想接触状况是很难实现的,即使经过精密抛光,两平面之间的接触面还不到总画积的百分之一。如果其中一相为液体,这种互相吻合的要求就不难满足,只要液体能完全浸润固体表面就行了。
        从物理吸附理论可以得出这样的结论:只要液体粘合剂在固化前能完全浸润被粘合固体表面,则仅仅由于分子之间的物理吸附作用力就足以产生很高的粘附强度。所以Bikerman从这一角度出发进一步断定:“对于一个正常的粘合接头来说,在机械力作用下粘附破坏是不可能的”。他还认为,如果一个粘合接头的粘接强度不高,若不是粘合剂本身的强度低,便是由于存在“薄弱表面层”。于是提高粘合强度的办法便是设法除去薄弱表面层。
        许多事实证明,完全浸润是产生良好粘附的必要条件,但并不是充分条件。例如一种金属经过不同的方法表面处理以后,即使都能被一种胶粘剂所完全浸润,但是粘合强度有可能相差很大。另一明显的例子是,室温熟化硅橡胶的表面张力很小,无疑能完全浸润各种金属表面,但是粘附强度很低。而金属表面经硅烷偶联剂处理之后,粘附强度却大大提高了。
        这些情况说明,仅仅是物理吸附对于要得到良好的粘台效果是不够的。范德华力无疑对粘附强度作出贡献,但是依据范德丝力大小计算出的理论粘合强度与实际粘合强度相差很大。
        另外物理吸附作用的特点是容易发生解吸。许多研究已经证明,水对高能表面的吸附热远远超过许多有机物,如果粘合剂与被粘物之间仅仅发生了物理吸附,粘合剂必然会被空气中的水气所解吸。
        还有文献证明,合力随着剥离速度变化而変化,但实际上克服分子间力所做的功决不随分子的分离速度而变化。
        这些都说明吸附理论不能解释所有的粘合现象。这一理论本身存在一定的局限性。除了物理吸附以外,研究粘合过程中的其他作用因素对粘合工艺的发展也是十分重要的。
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