精细化工工艺学-第三章 胶粘剂

CompanyLOGO2007.9胶粘剂的定义及特点胶粘剂（黏合剂）eltadhesive：a定义：靠界面间作用使各种材料牢固地粘接在一起的物质。b胶粘剂的组成：第三章胶粘剂固化剂和固化促进剂粘料增塑剂和增韧剂偶联剂和其他助剂稀释剂填料组成胶粘剂的分类c胶粘剂的分类：胶粘剂种类繁多，组分各异，有多种分类方式。1、按物理形态分类：水溶液型、溶液型、乳液（胶乳）型、无溶剂型、固态型、膏状或糊状。2、按化学成分分类：1）无机胶粘剂2）有机胶粘剂3、按来源分类1）天然胶粘剂2）合成胶粘剂第三章胶粘剂防恐反恐胶粘剂除有传统的粘接用途，还有一些新的、巧妙的应用。胶粘剂发展趋势1）发展无溶剂性胶粘剂现行的许多胶粘剂都含有大量挥发性很强的溶剂,这些溶剂不仅危害人的身心健康,而且会破坏大气层中的臭氧层。近年来,引起了公众和政府的高度重视,这样自然给胶粘剂工业带来了一种新的发展趋势,即向无溶剂的胶粘剂发展。2)发展纳米胶粘剂纳米胶粘剂是材料领域的重要组成部分,发展纳米胶粘剂,有可能在席卷全球的“纳米经济”急战中,抢夺一个技术制高点。纳米胶粘剂将成为一颗耀眼的新的科技明星。3)发展多功能胶粘剂当一种胶粘剂同时具有多种功能的时候,它的应用价值往往陡增,所以多功能胶粘剂是胶粘剂工业的发展趋势之一。4)发展军事、国防用胶粘剂发展军事、国防用胶粘剂是未来战争和防恐、反恐的需要,因此它必定有着长足发展。第三章胶粘剂相关定义胶接接头（adhesivejoint）：通过胶粘剂而得到的组件。被粘物（adherends）：接头中除胶粘剂外的固体材料。粘结（adhesion）：胶粘剂把被粘物所受的载荷传递到胶接接头的现象。粘附力（practicaladhesion）：强度由被粘物和胶粘剂的力学性能决定。第三章胶粘剂胶粘剂的固化固化：通过适当方法使胶层由液态变成固态的过程。热熔胶的固化溶液型胶的固化增塑糊型胶粘剂的固化按固化方式反应型胶粘剂的固化乳液型胶的固化第三章胶粘剂粘结接头的设计1接头及其受力情况：相当复杂，主要机械力剪切力不均匀扯离力剥离力拉伸力第三章胶粘剂接头形式选择原则：胶层承受剪切力和拉伸力，避免剥离力和不均匀扯离力。增加粘结面积防止层间剥离避免应力集中胶层均匀加工容易，方便第三章胶粘剂粘结接头类型粘结接头类型：型样各异，变化多端对接接头（buttjoint）斜接接头（scarfjoint）搭接接头（lapjoint）套接接头（doweljoint)第三章胶粘剂粘接原理吸附理论胶接作用是胶粘剂分子与被胶接物分子界面发生吸附作用。（物理吸附和化学吸附）特点：1.范德华力和氢键力2.具有热力学平衡3.根据胶接功可计算胶接强度4.润湿影响胶接强度第三章胶粘剂偶极力：极性分子间的引力，即偶极距间的相互作用力。式中：——偶极矩R——距离；T——绝对温度K——波尔兹曼常数KTRuuEk622213221,uu诱导偶极力：由于受到极性分子电场的作用而产生的。式中：——分子极化率；——偶极矩（永久，诱导）6222211RuauaED21,aa21,uu21,II在范氏力中起主要作用范德华力色散力：非极性分子间的作用力。式中：——分子电离能621212123RaaIIIIEL21,II第三章胶粘剂吸附理论吸附理论认为胶接过程分两个阶段第一阶段：胶粘剂分子通过布朗运动，向胶接物体表明移动扩散，使二者的极性基团或分子链段互相靠近。第二阶段：吸附力产生。作用能E如下IkTRE224683)3/(2第三章胶粘剂试中：－－分子偶极矩；I－－分子电离能；R－－分子间距离－－极化率；k－－波耳兹蔓常量；T－－热力学温度出处：HofrichterCH.Ind.Eng.Chem,1948,40:329物质的极性有利于获得高胶接强度，但过高会妨碍湿润过程的进行结论胶粘剂与被胶接材料表面间的距离是产生胶接力的必要条件胶接体系内分子接触区（界面）的稠密程度是决定胶接强度的主要因素胶粘剂湿润被胶接材料的表面产生物理吸附必要非充分条件高的胶接强度H2O第三章胶粘剂吸附理论吸附理论的缺陷：1.解释不了胶粘剂与被胶粘物之间的胶接力大于胶粘剂本身的强度。2.解释不了胶接强度大小与分子间的分离速度关系。3.解释不了对于高分子化合物极性过大，反而胶接强度降低。4.解释不了水的影响。第三章胶粘剂静电理论该理论认为：在胶接接头中存在双电层，胶接力来自双电层的静电引力。胶接功等于电容器瞬间放电的能量，计算公式如下：hQWA22WA－－胶接功；Q－－电荷表面密度；h－－放电距离；ε－－介质的介电常数前苏联：McbainJW.JPhysChem，1926，30：114第三章胶粘剂将被胶接材料和固化的胶粘剂层理想化为电容器，即在胶接接头中存在双电层，胶接力主要来自双电层的静电引力。静电引力的产生是相1电荷场相2电荷场相互作用的结果。成功地解释了粘附功与剥离速度有关的实验事实•静电引力（0.04MPa）对胶接强度的贡献可忽略不计•无法解释用炭黑作填料的胶粘剂及导电胶的胶接现象•无法解释由两种以上互溶高聚物构成的胶接体系的胶接现象•不能解释温度、湿度及其它因素对剥离实验结果的影响缺陷贡献第三章胶粘剂扩散理论观点：胶粘剂和被粘物分子通过相互扩散而形成牢固接头。特点：1.胶接强度与接触时间，胶接温度，胶接压力，胶层厚度有关系。2.胶粘剂分子量越高越不利扩散。3.分子链的柔韧性增加，侧基减少，有利分子扩散，胶接强度也有增加。4.极性与极性和非极性与非极性聚合物之间都具有较高的粘附力。缺点：不能解释高聚物以外的胶粘现象。第三章胶粘剂机械结合理论观点：该理论认为，粘合剂浸透到被粘物表面的空隙中，固化后就象许多小钩和椎头似地把粘合剂和被粘物发生纯机械咬和与镶嵌，这种细微的机械结合对多孔性表面更为显著。特点：机械连接力和摩擦力有关。F:摩擦力；W：法线压力；H：固体表面的凹凸高度；1/λ:单位长度的凹凸高度。缺点：对非多孔材料黏结无法解释。前苏联：McbainJW.JPhysChem，1926，30：114第三章胶粘剂WHF化学键理论观点：化学键理论认为粘合剂与被粘合物之间除存在范德华力外，有时还可形成化学键。化学键的键能比分子间的作用大的多，形成较多的化学键对提高胶接强度和改善耐久性都具有重要意义。优点：对胶接现象可以部分解释。缺点：无法解释不发生化学反应的胶接现象。第三章胶粘剂其它胶接理论配位键理论弱界面层胶接理论五环说胶接强度胶粘剂被胶接材料环境•分子结构•配方设计•性质•表面处理•操作工艺•环境介质•应力状况第三章胶粘剂•胶接过程是一个复杂的过程，以上几种胶接理论即有实验事实作依据，又都存在有局限性•对于固体和胶粘剂产生胶接作用的原因，可概括为：（1）相1和相2机械结合作用。包括：①胶钉理论（anchoring）；②被胶接固体经表面处理后产生触须（whisker）状凸起，相1与相2纠缠咬合（interlocking）。（2）相1和相2的化学吸附结合作用。包括：①通过相互扩散，在分子之间产生分子间的拉引作用力（内聚力）；②相1相2密切接触，产生分子间的拉引作用力；③相1和相2通过化学键结合在一起。•胶接效果是主价力、次价力、静电引力和机械作用力等综合作用的结果。总结第三章胶粘剂如何正确选择胶粘剂第三章胶粘剂应考虑五个方面：1.被粘接材料的性质2.被粘接体应用的场合及受力情况3.粘接过程有关特殊要求4.粘接效率和粘接成本5.同材料或不同材料间实施胶接，应对胶粘剂进行选择胶接工艺中最主要三个环节：1.选择胶粘剂2.胶接接头设计3.表面处理各种胶粘剂介绍•硅酸盐类：硅酸盐水泥、硅酸钠（水玻璃）•磷酸盐类：磷酸-氧化铜•硫酸盐类：石膏•陶瓷：氧化锆、氧化铝•淀粉类：淀粉、糊精•蛋白类：大豆蛋白、血蛋白、骨胶、鱼胶、酪素、虫胶•硫酸盐类：石膏•陶瓷：氧化锆、氧化铝•热塑性：聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、饱和聚酯等•热固性：脲醛树脂、酚醛树脂、间苯二酚树脂、三聚氰按树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、聚异氰酸酯、呋喃树脂等树脂型橡胶型复合型氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、聚硫橡胶、端羧基橡胶、有机硅橡胶、热塑性橡胶酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-氯丁橡胶、酚醛-丁腈橡胶、环氧-酚醛、环氧-聚酰胺、环氧-丁腈橡胶、环氧-聚氨酯合成有机胶粘剂天然有机胶粘剂无机有机胶粘剂第三章胶粘剂无机胶粘剂：即由无机盐、无机酸、无机碱和金属氧化物、氢氧化物等无机物组成的胶粘剂。按化学成分：硅酸盐，磷酸盐，硫酸盐，硼酸盐等。按固化机理：气干型，水固型，热熔型，反应型。特点：耐热性，阻燃性，耐光性，耐油性比有机胶粘剂好，抗老化，原料价廉，（一般耐900~1000℃）A热熔型胶粘剂低熔点金属（如锡焊），玻璃陶瓷等B水固型胶粘剂：有水泥，石膏磷酸盐类胶粘剂第三章胶粘剂基料：由酸式磷酸盐、偏磷酸盐、焦酸盐为基料或直接由酸与金属氧化物、卤化物、氢氧物、碱性盐类、硅酸盐、硼酸盐等的反应产物为基料。固化剂：金属氧化物、氢氧化物、硼酸盐、硅酸盐以及金属盐等。特点：固化温度低，使用温度低。与硅酸盐胶粘剂相比,其耐水性较好、固化收缩率小高温强度大用于：粘接金属、陶瓷、玻璃等。磷酸盐类胶粘剂（例）例：氧化铜－磷酸盐胶粘剂氧化铜制备：900oC灼烧一定时间—冷却—研磨200目磷酸盐制备：Al(OH)3溶解于H3PO4得外观白色透明的粘性液体（酸性磷酸铝）胶调剂：酸性磷酸铝比氧化铜粉=1比5调制均匀固化条件：涂上，室温放置一段时间后，非常缓慢加热到100oC，保持1h即可。磷酸胶粘剂能耐-70~1300℃高、低温,如果加入高熔点的化合物(氧化锆、氧化铝等),可提高到1500℃左右。第三章胶粘剂硅酸盐类胶粘剂第三章胶粘剂硅酸盐类胶粘剂：一般以碱金属硅酸盐为基料,加入固化剂和填料等配制而成。耐温，耐水、耐油、耐热和电气绝缘性能。此类式为：M2O.nSiO2.H2O来表示。M的金属有Li,Na,K。n为SiO2和H2O的比值，