胶黏剂―胶合原理与胶粘剂

胶合原理与胶粘剂林学院：张晓燕内容提要：1胶粘剂的概念和分类2胶粘剂的发展简史3胶粘剂在木材加工中的作用4胶粘剂的发展趋势绪论1胶粘剂的概念和分类概念:通过粘附作用，能使被胶接材料的表面紧密地胶合在一起的物质叫胶粘剂。用胶粘剂把两个被胶接物牢固连接在一起称为胶接。分类：根据起胶接作用的物质种类分：天然胶粘剂：原料来源广，成本低，不耐水。如植物胶、动物胶（以动物的皮、骨、筋等为原料，将其中所含的胶原蛋白经过部分水解，萃取和干燥制成的固体蛋白质。）。合成胶粘剂：胶合强度高，耐水性好。如合成树脂、合成橡胶。4优点：①可实现不同种类或不同形状材料之间的连接，尤其是薄片材料；②粘接为面际连接，应力分布均匀，不易产生应力破坏，延长结构寿命；③密封性能良好，有很好的耐腐蚀性能（隔开被粘物，可减少不同金属连接的电位腐蚀）；5优点：④提高生产效率，降低成本；⑤减轻结构质量。通过交叉粘接能使各向异性材料的强度质量比及尺寸稳定性得到改善，得到挠度小，结构差异小、质量轻的结构；⑥可赋予被粘物体以特殊的性能（导电胶、导磁胶、耐高温胶、电绝缘胶）。6缺点①耐候性差；②胶接的不均匀使得扯离和剥离强度低，容易在接头边缘首先破坏；③与机械物理连接法相比，溶剂型胶粘剂的溶剂易挥发，而且某些溶剂易燃、有毒，会对环境和人体产生危害。④胶接质量因受多种因素的影响，不够稳定。7胶粘剂的污染问题常见的胶粘剂质量问题主要是溶剂挥发产生的有害物质：苯是一种致癌物质，人吸入过量，会出现头晕、恶心、乏力、皮肤干燥、意识模糊等现象，重者可导致昏迷甚至死亡。甲苯和二甲苯：对皮肤和粘膜刺激性大，长期接触易引起膀胱癌。甲醛挥发较慢，吸入后会引起恶心，导致支气管炎，甚至出现肺水肿；卤代烃也是致癌物质，长期吸入会损伤肝脏等器官。2胶粘剂的发展简史早期的胶粘剂以天然高分子物质为材料，多属水溶性，沿用了几千年。如我国古代劳动人民在很早就使用天然动、植物胶胶接各种材料。早在2000多年前，秦朝人以糯米浆与石灰制成的灰浆用作长城基石的胶黏剂。公元前200年，西汉人用糯米制成的胶粘剂作棺木的密封剂，再配用防腐剂，使尸体保存完整，肌肉和关节仍有弹性。古埃及人从金合欢树中提取阿拉伯胶，从鸟蛋、动物骨骼中提取骨胶，从松树中收集松脂制成胶黏剂，还用白土与骨胶混合，再加上颜料，用于棺木的密封及涂饰。2胶粘剂的发展简史20世纪，化学工业的发展，出现了以合成高分子物质为基础的新型胶粘剂—合成胶粘剂，使胶粘剂进入了一个崭新的发展时期。1912年美国的L.H.贝克兰首先将酚醛树脂作为胶粘剂用于木材的粘接；20年代末至30年代初，脲醛树脂作为胶粘剂也用于木材工业；从此，胶粘剂开始了以合成树脂胶粘剂为主的发展阶段。2胶粘剂的发展简史40～50年代，不饱和聚酯、环氧树脂和聚氨酯胶粘剂问世，合成橡胶和热塑性树脂在粘接领域得到广泛应用；此后，又开发了合成橡胶改性的合成树脂胶粘剂，即橡胶－树脂胶粘剂，并成功的用于粘接飞机机身部件。于是胶粘剂进入了粘接金属结构部件的发展阶段；以后，合成胶粘剂又增加了新品种，如50年代末，单液型，在常温下能快速（几十秒）固化的氰基丙烯酸酯胶粘剂实现工业化生产。2胶粘剂的发展简史目前世界合成胶粘剂品种已达5000余种，总产量超过1000万吨，销售额年均增长5%。产量水系胶占45%，热熔胶占20%，溶剂胶占15%，反应型胶占10%，其它10%。随着胶粘剂工业的发展，胶合理论的研究也逐渐得到人们的重视。为了解释胶接现象，自20世纪40年代以来，人们提出了多种关于胶接机理的理论：吸附理论、机械胶接理论、静电理论、扩散理论、化学键理论等。胶粘剂的应用方面：汽车工业航空航天电子、电器工业机械工业建筑工业轻工业造船工业医疗3胶粘剂在木材加工中的作用13（1）汽车工业的应用现代汽车工业的技术进步要求结构材料轻量化、驾驶安全化、节能环保化、美观舒适化等，因此一定采用铝合金、玻璃钢、蜂窝夹层结构，塑料、橡胶等新型材料，必然要大量以粘接代替焊接，胶粘剂用量明显增加。3胶粘剂在木材加工中的作用14（2）航空航天的应用航空工业是最早使用胶粘剂的行业，飞机制造业是结构胶粘剂的主要用户。宇航工业和空间技术等都大量采用蜂窝结构、高强度高模量复合材料、玻璃钢、泡沫材料、密封材料等，这些材料的制造和连接都离不开胶粘剂和密封材料。3胶粘剂在木材加工中的作用15（3）电子、电器工业的应用集成电路、计算机等电子元器件、零部件和整机生产与组装中，都要使用胶粘剂和密封胶，如光刻胶、导电胶、导磁胶等。各种家用电器设备，大量使用胶粘剂和密封胶，如洗衣机、冰箱（柜）、空调、电饭煲、吸尘器等。3胶粘剂在木材加工中的作用16（4）机械工业的应用代替焊、铆、螺栓连接等，可以节约原材料减轻质量，减少应力集中，缩短工期，简化工艺，从而提高效率，降低成本；铸件砂眼，零件缺陷能修复后再用，可以减少废品；3胶粘剂在木材加工中的作用17（5）建筑工业的应用各种装修材料的粘贴与固定都要大量的胶粘剂和密封剂。胶粘剂用于修补混凝土结构件缺陷、裂缝，操作简便，不仅保证使用性能，而且外观平整。3胶粘剂在木材加工中的作用18（6）轻工业的应用①制鞋工业②家具工业③纺织工业：无纺布④包装工业：如箱、桶、盒、袋、纸－薄膜复合包装（密封）⑤印刷工业：无线装订⑥此外，工艺美术、儿童玩具、体育用品、卫生器具、婴儿尿布、文教用品等3胶粘剂在木材加工中的作用19（7）造船工业的应用在船舶装配时不论是玻璃钢、木材，还是金属结构件都要用到胶粘剂。除了用常规的胶粘剂进行零部件的结构粘接之外，由于船舶航行于江、湖、海的特殊环境，还大量使用密封剂用于甲板缝、舱孔、舷窗以及各种油、水管路和电缆贯通的密封。3胶粘剂在木材加工中的作用8、医疗方面的应用接骨植皮、修补脏器、代替缝合、有效止血、粘接血管；以及牙齿的粘接、镶嵌、填充、美饰等。3胶粘剂在木材加工中的作用木材加工业对胶粘剂的要求：原料来源广泛，价格便宜；对木材没有侵蚀性；具有适当的流动性，对木材表面有很好的润湿性。因为润湿是胶接的首要条件，流动性能保证胶粘剂均匀地分布于木材表面，适当的粘度可保证胶层有足够的胶量。木材加工业对胶粘剂的要求：使用方便，如适用期长，固化时间短，常温固化，压力低等。固化时能形成坚固的胶层，胶接强度大。固化后胶层有一定弹性，使胶接制品能进行弯曲加工并抵抗膨胀收缩产生的应力，提高耐久性。4胶粘剂的发展趋势甲醛类胶粘剂：脲醛树脂胶—减缓树脂老化，降低收缩率，降低低甲醛释放，提高胶合耐水性和耐老化性能；酚醛树脂胶—降低碱含量，降低固化温度，提高固化速度，降低成本；三聚氰胺树脂胶—提高树脂韧性，降低成本，开发新型浸渍用树脂。4胶粘剂的发展趋势乳液胶粘剂：是胶粘剂发展的趋势，各种性能优良的树脂都被研究制备成乳液应用，胶粘剂有由溶液型向乳液型转变的倾向。热熔胶粘剂：降低熔融粘度，提高其对被胶接材料的粘附性，调节收缩应力，调节共聚物中单体的比例，分子量以合成出理想的共聚物。总之，胶粘剂向快固化、单组分、高强度、耐高温、无溶剂、低粘度、不污染、省能源、多功用等方向发展。第一章木材胶接基础内容提要：1.1胶接的各种理论1.2胶接结构的耐久性与胶接破坏1.3影响胶接强度的因素1.4胶粘剂的组成与分类1.5木材胶粘剂的合理选择1.1胶接的各种理论1.1.1吸附理论1.1.2机械胶合理论1.1.3扩散理论1.1.4静电理论1.1.5化学键理论1.1.1吸附理论理论提出年代：20世纪40年代。理论基础：表面吸附理论、分子极性（相异）理论、聚合物分子运动及分子间作用理论等。吸附理论内容：胶接作用是胶粘剂分子与被胶接物分子在界面层上相互吸附产生的。胶接作用是物理吸附和化学吸附共同作用的结果。而物理吸附则是产生胶接作用的普遍性原因。吸附理论认为胶接过程分两个阶段：胶粘剂分子通过布朗运动，向被胶接物体表面移动扩散，使二者的极性基团或分子链段相互靠近。在此过程中，升温、降低胶粘剂的粘度和施加接触压力等都有利于布朗运动的进行。吸附引力的产生。当胶粘剂和被胶接物体的分子间距达到5×10-10m以下时，便产生分子间引力，即范德华力。1.1.1吸附理论范德华力和氢键是产生胶接力的根源：范德华力：作用能E如公式所示：包括偶极力诱导偶极力色散力氢键：属于弱的化学键。可以包括在范德华力之内，看作是一种特殊的偶极力，也可以不包括在范德华力内，看作是一种弱的配位键。式中：μ——分子偶极矩；α——分子极化率；I——分子电离能；R——分子间距离；K——玻尔兹曼常数；T——绝对温度。]833[22246IKTRE1.1.1吸附理论不足之处把胶接力与分子间力结合在一起，在一定的范围内解释了胶接现象。吸附理论把胶接作用主要归于分子间的作用力。它不能圆满地解释胶粘剂与被胶接物之间的胶接力大于胶粘剂本身的强度相关这一事实。在测定胶接强度时，为克服分子间的力所作的功，应当与分子间的分离速度无关。事实上，胶接力的大小与剥离速度有关。吸附理论不能解释极性的α-氰基丙烯酸酯能胶接非极性的聚苯乙烯类化合物的现象；对高分子化合物极性过大，胶接强度反而降低的现象也都无法解释。1.1.1吸附理论理论基础：由Mcbain，Hopkis提出，是胶接领域中最早提出的胶接理论。任何物体的表面即使肉眼看起来十分光滑，但放大看还是十分粗糙，有些材料还是多孔性的。理论内容：液态胶粘剂充满被胶接物表面的缝隙或凹陷处，或者在毛细管张力的作用下，从表面敞开的管孔渗到细胞腔内，固化或硬化后在界面产生啮合连接。1.1.2机械胶接理论注意要点：机械连接形式与浸润、分子间作用力无关，通常称为锚固作用或紧固作用。对于木材来讲，机械结合理论显得更为重要。因为木材是多孔性材料，木材表面存在大量的纹孔和暴露在外的细胞腔，这是木材胶接形成胶接力（胶钉作用）的有利条件。佐伯等人利用扫描电子显微镜观察经过化学处理后的婆罗洲樟木胶合板的胶接层，发现由导管腔至细胞壁纹孔的各种木材组织内腔中都有胶粘剂渗入。1.1.2机械胶接理论贡献及不足之处：对多孔性材料的胶接有贡献。机械结合理论不能解释非多孔性材料，如表面光滑的玻璃等物体的胶接现象，也无法解释由于材料表面化学性能的变化对胶接作用的影响。不能解释空隙多的木材比孔隙少的木材胶接强度低，表面粗糙的比经刨床精加工的胶接强度低。许多事实证明，机械结合力与物理吸附和化学吸附作用相比，它是产生胶接力的第二位主要原因。1.1.2机械胶接理论1.1.3扩散理论理论基础：Voyutskii基于高分子链段越过界面相互扩散产生分子缠绕强化结合而产生胶接强度，提出扩散理论。扩散理论对于同属于线性高分子的胶接体系或轻度交联的高分子胶接体系是有效的。扩散理论内容：胶粘剂和被胶接物分子通过相互扩散而形成牢固的接头，且胶接作用与它们的互溶特性有关。贡献及不足之处贡献：它能圆满解释许多工艺因素（温度、时间等）对胶接性能的影响，而且也能解释胶粘剂组分对胶接强度的影响。因为在胶接体系中，适当降低分子量，有助于提高扩散系数，改善胶接性能。提高两种聚合物的接触时间和胶接温度，都将增强扩散作用，从而提高胶接强度。局限性：它不能解释金属和陶瓷、玻璃等无机物的胶接现象。1.1.3扩散理论1.2.4静电理论理论基础：1949年前苏联学者根据胶膜从被粘物表面剥离时的放电现象，提出了静电理论。理论内容：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。当胶粘剂从被粘物剥离时，两个表面间产生了电位差，并且随着被剥离距离的增大而增加。达到一定的极限时，便产生放电现象。将双电层等效为电容器的极板，粘附功就等于电容器瞬时放电的能量。可按下式计算：式中：WA——粘附功；Q——电荷的表面密度；h——放电距离（相当于电容器的极板间距）；ε——介质的介电常数。hQWA221.2.4静电理论贡献及不足之处解释了粘附力与剥离速度有