常见的胶黏剂及其粘结机理

《精细化工》作业常见的胶黏剂及其粘结机理学院：化学化工学院班级：2011级研究生专业：化学工程姓名:白明强学号：12011130482一、胶黏剂的定义：通过界面的黏附和内聚等作用，能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质，统称为胶黏剂，又叫黏合剂，习惯上简称为胶。简而言之，胶黏剂就是通过黏合作用，能使被黏物结合在一起的物质。二、胶黏剂的分类：胶黏剂的分类方法很多，按应用方法可分为热固型、热熔型、室温固化型、压敏型等；按应用对象分为结构型、非构型或特种胶；按形态可分为水溶型、水乳型、溶剂型以及各种固态型等；从胶黏剂的应用领域来分，则胶黏剂主要分为土木建筑、纸张与植物、汽车、飞机和船舶、电子和电气以及医疗卫生用胶黏剂等种类。所以用途不同的胶黏剂的作用机理也是大不一样的，下面就各种材料：木材、玻璃、金属、纸张和塑料的粘结机理做以简单的介绍。三、六大胶粘理论聚合物之间，聚合物与非金属或金属之间，金属与金属和金属与非金属之间的胶接等都存在聚合物基料与不同材料之间界面胶接问题。粘接是不同材料界面间接触后相互作用的结果。因此，界面层的作用是胶粘科学中研究的基本问题。诸如被粘物与粘料的界面张力、表面自由能、官能基团性质、界面间反应等都影响胶接。胶接是综合性强，影响因素复杂的一类技术，而现有的胶接理论都是从某一方面出发来阐述其原理，所以至今全面唯一的理论是没有的。1、吸附理论：人们把固体对胶黏剂的吸附看成是胶接主要原因的理论，称为胶接的吸附理论。理论认为：粘接力的主要来源是粘接体系的分子作用力，即范德化引力和氢键力。胶粘与被粘物表面的粘接力与吸附力具有某种相同的性质。胶黏剂分子与被粘物表面分子的作用过程有两个过程：第一阶段是液体胶黏剂分子借助于布朗运动向被粘物表面扩散，使两界面的极性基团或链节相互靠近，在此过程中，升温、施加接触压力和降低胶黏剂粘度等都有利于布朗运动的加强。第二阶段是吸附力的产生。当胶黏剂与被粘物分子间的距离达到10-5Å时，界面分子之间便产生相互吸引力，使分子间的距离进一步缩短到处于最大稳定状态。胶黏剂的极性太高，有时候会严重妨碍湿润过程的进行而降低粘接力。分子间作用力是提供粘接力的因素，但不是唯一因素。在某些特殊情况下，其他因素也能起主导作用。2、化学键形成理论:化学键理论认为胶黏剂与被粘物分子之间除相互作用力外，有时还有化学键产生，例如硫化橡胶与镀铜金属的胶接界面、偶联剂对胶接的作用、异氰酸酯对金属与橡胶的胶接界面等的研究，均证明有化学键的生成。化学键的强度比范德化作用力高得多；化学键形成不仅可以提高粘附强度，还可以克服脱附使胶接接头破坏的弊病。但化学键的形成并不普通，要形成化学键必须满足一定的量子化`件，所以不可能做到使胶黏剂与被粘物之间的接触点都形成化学键。况且，单位粘附界面上化学键数要比分子间作用的数目少得多，因此粘附强度来自分子间的作用力是不可忽视的。3、弱界层理论：当液体胶黏剂不能很好浸润被粘体表面时，空气泡留在空隙中而形成弱区。又如，当中含杂质能溶于熔融态胶黏剂，而不溶于固化后的胶黏剂时，会在固体化后的胶粘形成另一相，在被粘体与胶黏剂整体间产生弱界面层（WBL）。产生WBL除工艺因素外，在聚合物成网或熔体相互作用的成型过程中，胶黏剂与表面吸附等热力学现象中产生界层结构的不均匀性。不均匀性界面层就会有WBL出现。这种WBL的应力松弛和裂纹的发展都会不同，因而极大地影响着材料和制品的整体性能。4、扩散理论：两种聚合物在具有相容性的前提下，当它们相互紧密接触时，由于分子的布朗运动或链段的摆产生相互扩散现象。这种扩散作用是穿越胶黏剂、被粘物的界面交织进行的。扩散的结果导致界面的消失和过渡区的产生。粘接体系借助扩散理论不能解释聚合物材料与金属、玻璃或其他硬体胶粘，因为聚合物很难向这类材料扩散。5、静电理论：当胶黏剂和被粘物体系是一种电子的接受体-供给体的组合形式时，电子会从供给体（如金属）转移到接受体（如聚合物），在界面区两侧形成了双电层，从而产生了静电引力。在干燥环境中从金属表面快速剥离粘接胶层时，可用仪器或肉眼观察到放电的光、声现象，证实了静电作用的存在。但静电作用仅存在于能够形成双电层的粘接体系，因此不具有普遍性。此外，有些学者指出：双电层中的电荷密度必须达到1021电子/厘米2时，静电吸引力才能对胶接强度产生较明显的影响。而双电层栖移电荷产生密度的最大值只有1019电子/厘米2（有的认为只有1010-1011电子/厘米2）。因此，静电力虽然确实存在于某些特殊的粘接体系，但决不是起主导作用的因素。6、机械作用力理论：从物理化学观点看，机械作用并不是产生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。胶黏剂渗透到被粘物表面的缝隙或凹凸之处，固化后在界面区产生了啮合力，这些情况类似钉子与木材的接合或树根植入泥土的作用。机械连接力的本质是摩擦力。在粘合多孔材料、纸张、织物等时，机构连接力是很重要的，但对某些坚实而光滑的表面，这种作用并不显著。四、胶黏剂的粘结机理1、木材胶黏剂：由于木材的特殊构造，其胶黏剂作用机理很简单就是依靠机械镶嵌作用和分子间作用力发生粘接。但起主要作用的还是分子间的物理或化学作用。从物理化学观点看，机械作用并不是产生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。胶黏剂渗透到被粘物表面的缝隙或凹凸之处，固化后在界面区产生了啮合力，这些情况类似钉子与木材的接合或树根植入泥土的作用。机械连接力的本质是摩擦力。在粘合多孔材料、纸张、织物等时，机构连接力是很重要的，但对某些坚实而光滑的表面，这种作用并不显著。用于木材胶接和木制品制造的胶黏剂具有应力均匀、接缝弥合、胶接强度高、耐水性好能简化制品结构及实现操作机械化和自动化等特点。主要有皮胶、骨胶、酪素胶、聚醋酸乙烯酯胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂、脲醛树脂胶粘剂、环氧树脂胶黏剂和氯丁橡胶胶黏剂等。用于板材的拼接装配和端面包边；门窗家具的榫孔胶接；地板、天棚及壁的内部装修；人造板、胶合板、夹心板、木塑复合板及木合金板等的制造；表面装饰板的黏贴等。2、纸张胶黏剂：纸张的构造是由纤维素构成的，所以可以用能和纤维素发生化学作用的物质作为胶黏剂。天然纤维素中含有大量的羟基，具醇羟基的特性，故能与涂层的表面羟基、羟甲基、异氰酸酯基、缩丁醛基、环氧基等发生化学反应，形成化学键，从而完成粘合。纸张常用的胶粘剂有：水玻璃、淀粉类、纤维素类、天然胶乳类；乙烯树脂胶粘剂、合成胶乳胶粘剂、热溶胶、胶粘带和水再湿活化性胶粘剂。3、织物胶黏剂：纤维分为天然纤维和化学纤维。有机天然纤维：纤维素纤维（棉、麻等）和蛋白质纤维（羊毛、蚕丝等）；化学纤维：无机化学纤维（玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、金属纤维等）和有机化学纤维：人造纤维（粘胶纤维、醋酸纤维等）和合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶等）。由于织物品种繁多，不同的织物有各自的粘接性能，在粘接之前必须知道织物为何种纤维，以便选用合适的胶粘剂。纤维复合材料的粘结作用分为（1）表面极性：表面极性越强的纤维材料，与胶粘剂形成氢键的能力越强。（2）表面反应性：含活性基团的纤维表面反应性较强，粘合效果较好。这可以用吸附理论解释：理论认为：粘接力的主要来源是粘接体系的分子作用力，即范德华力和氢键力。胶粘与被粘物表面的粘接力与吸附力具有某种相同的性质。4、金属胶黏剂：金属表面张力很高,属于高能表面,在PU胶粘剂固化物中含有内聚能较高的氨酯键和脲键,在一定条件下能在粘接面上聚集,形成高表面张力胶粘层｡一般来说,胶粘剂中异氰酸酯或其衍生物百分含量越高,胶粘层的表面张力越大,胶越坚韧,能与金属等基材很好地匹配,粘接强度一般较高｡金属表面一般存在着吸附水(即使经过打磨处理的金属表面也存在微量的吸附水或金属氧化物水合物),含有一NCO的基团与水反应生成的脲键与金属氧化物之间由于氢键而螯合形成酰脲—金属氧化物络合物,一NCO基团还能与金属水合物形成共价键等｡在无一NCO场合,金属表面水合物及金属原子与氨酯键及脲键之间产生范德华力和氢键,并且以TDIMDI为基础的聚氨酯胶粘剂含苯环,具有冗电子体系,能与金属形成配价键｡金属表面成分较为复杂,与PU胶之间形成的各种化学键或次价键(如氢键)的类型也很复杂｡5、玻璃胶黏剂：玻璃是无定形固体，为非化学计量化合物。一般为硅酸盐，有时是由硼酸盐或磷酸盐等混合物组成。玻璃的表面组成与其本体组成差异大，粘接时要根据具体情况分析，采取不同的表面处理方法；表面能较高，吸附水膜后对粘接影响较大，须经表面处理，选择胶粘剂时必须要考虑到玻璃的特性。玻璃石板陶瓷等无机材料表面也含吸附水羟基,粘接机理大致与金属相同o6、塑料胶黏剂：PVCPETFRP等塑料表面的极性基团能与胶粘剂中的氨酯键酯键醚键等基团形成氢键,形成有一定粘接强度的接头｡有人认为玻纤增强塑料(FRP)中含一OH基团,其中表面的一OH与PU胶粘剂中的一NCO反应形成化学粘接力｡非极性塑料如PEPP,其表面很低,用极性的聚氨酯胶粘剂粘接时可能遇到困难,这可用多种方法对聚烯烃塑料进行表面处理加以解决｡一种办法是用电晕处理,使其表面氧化,增加极性:另一种办法是在被粘的塑料表面上采用多异氰酸酯胶粘剂等作增粘涂层剂(底涂剂底胶)｡如熔融凹挤出薄膜在PET等塑料薄膜上进行挤出复合时,由于邢表面存在低聚合度的弱界面层,粘接强度不理想,使用底胶时,多异氰酸酯在热的聚乙烯表面上扩散,使弱界面层强化,复合薄膜则具有非常好的剥离强度｡