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影响粘接强度的三个物理因素介绍

发布时间:2018-07-05 11:32点击量:0

粘接强度的好坏除了受黏料的组成结构及有关的物理力学性能影响外,还与一些物理因素有关,这些因素中主要有被粘物表面光滑情况、界面状况、应力分布等。这些因素虽不属于产生粘接力的基本物理化学过程,但它们的影响是不可忽视的,有时甚至是决定性的。

    (1)粗糙度和表面形态

    被粘物表面的粗糙程度是产生机械粘接力的源泉,在浸润性好(θ<90°)的情况下胶黏剂在粗糙表面的浸润性比在光滑表面上好。在浸润性不好(θ>90°)时胶黏剂在粗糙表面上的浸润性能低于在光滑表面上的浸润性能。在θ=90°时则胶黏剂对两种表面的浸润性相等。因此,在对被粘物表面进行糙化处理时,须注意所用胶液对该表面的浸润情况,浸润性不好就不适宜进行糙化处理。另外,糙化能增大粘接强度的原因是增大了接触面积,但糙化过度易滞留空气,有损浸润作用而不利于粘接强度。除了粗糙度以外,被粘表面的污染情况对粘接强度的影响也很大,它们不利于胶液的浸润作用,常使粘接失败。

    (2)弱界面层

    当胶黏剂与被粘物之间的粘接力主要来源于分子间力的作用,而胶黏剂和被粘物中存在相容性差,易迁移(向界面)的低分子量杂质,并且这种低分子量杂质对被粘接物表面的吸附力比对胶黏剂强时,界面间的作用力就会削弱,即产生了弱界面层。这种弱界面层的存在常使接头在此处脱开而使粘接失败。加强静电引力,去掉有害的低分子杂质,增大交联程度,引入化学键合或使用偶联剂等方法可以减小或去掉弱界面层,加强粘接作用。

    用聚乙烯作为胶黏剂对铝进行试验,其粘接强度仅相当于聚乙烯本身拉伸强度的百分之几。但如除去聚乙烯的含氧杂质或低分子物,其粘接强度就高得多。如把含氧杂质如油酸量加大到0.1%时,粘接强度显著下降。如油酸量达到1%,则完全失去粘接强度。

    吸附理论认为,产生弱界面层的过程实际上是低分子物质解吸界面区胶黏剂分子的过程。为此,通过化学吸附或通过静电力、扩散作用产生粘接力的接头不会有弱界面层。

    虽然弱界面层的产生主要来源于小分子杂质的存在,但在胶黏剂或被粘物中含有低分子物不一定产生弱界面层。如环氧树脂或聚氯乙烯中加入适当的增塑剂时,非但不会降低强度,而且改善了粘接性能。这是因为增塑剂与环氧树脂等有良好的混溶性,不会析出和集中到界面区形成弱界面层。

    (3)内应力

    单位截面上附加的力为应力,接头在未受到外力作用时内部所具有的应力为内应力。在胶层固化时因体积收缩而产生的内应力为收缩应力;胶层与被粘物之间由于膨胀系数不同,在温度变化时产生的应力为热应力。这是胶层内应力的两个主要来源,前者具有永久性,后者为暂时性的,即在温度回原后热应力也随之消失。粘接接头中存在内应力将导致强度大大下降,甚至会造成接头自动破裂。

    胶黏剂不管用什么方法固化,都难免发生一定的体积收缩。如果在失去流动性之后体积还没有达到平衡值,进-步固化就会产生收缩应力。

    热熔胶的固化也伴随着严重的体积收缩,熔融聚苯乙烯冷却至室温体积收缩率为5%,而具有结晶性的聚乙烯从熔融状态冷却至室温体积收缩率高达14%。

    通过化学反应来固化的胶黏剂,体积收缩率分布在一个较宽的范围内。缩聚反应体积收缩很严重,因为缩聚时反应物分子中有-部分变成小分子逸出,例如酚醛树脂固化时放出水分子,因此其固化过程中收缩率比环氧树脂大很多。

    烯类单体或预聚体的双键发生加聚反应时,体积收缩率也比较大。例如不饱和聚酯固化体积收缩率高达10%。环氧树脂固化过程中体积收缩率比较低,这是环氧胶黏剂有很高的粘接强度的重要原因。

    由于收缩应力来源于胶黏剂固化至失去流动性之后进-步固化所产生的那部分体积收缩,所以对热固性胶黏剂来说,反应物的官能度愈高,发生凝胶化时官能团的反应程度就愈低,固化之后将会产生较高的内应力。这可能是高官能度的环氧化酚醛树脂胶黏剂的粘接强度要比双酚A型环氧树脂胶黏剂低的原因之-。

    降低固化过程中的体积收缩率对于热固性树脂的许多应用都有十分重要的意义,降低活性官能团浓度,利用聚合物增韧剂,加入惰性填料均能降低固化时的体积收缩。

    热膨胀系数不同的材料被粘接在-起,温度变化会在界面中造成热应力。热应力的大小正比于温度的变化、胶黏剂与被粘物膨胀系数的差别以及材料的弹性模量。

    粘接两种膨胀系数相差很大的材料时热应力的影响尤其明显。例如用环氧树脂把1cmX 3cmX 20cm的硬铝和-种同样大小的陶瓷块粘接在-起,固化温度是120℃,在冷却至室温后,粘接件自动开裂。为了避免热应力,可选择比较低的固化温度,例如采用室温固化的环氧-聚酰胺胶黏剂就能得到满意的粘接强度。采用模量低、伸长率高的胶黏剂或适当提高胶层厚度可使热应力能通过胶黏剂的变形释放出来。

    内应力的产生除了与固化时的体积收缩及胶层各组分的线膨胀系数差别等有关外,还与胶层的老化过程密切相关。在热老化过程中,由于热氧的作用和挥发性物质的逸出,会使胶层进-步收缩。相反,在潮湿环境中由于胶层的吸湿会造成胶层膨胀。因此在老化过程中接头的内应力也在不断地变化着,还可能加速老化的进程。

    厚的胶层往往存在较多的缺陷,因此,一般来说胶层厚度减少,粘接强度升高。当然,胶层过薄也会引起缺陷而降低粘接强度。不同的胶黏剂或同种胶黏剂使用目的不同,要求胶层厚度也不同,大多数合成胶黏剂以0.05-0.1mm厚为宜,无机胶黏剂以0.1-0.2mm为宜。

    胶层厚度也与接头所承受的应力类型有关。单纯的拉伸、压缩或剪切,胶层越薄,强度越大。胶层厚时剥离强度会适当提高;对于冲击负荷,弹性模量小的胶黏剂,胶层厚则抗冲击强度高;而对弹性模量大的胶黏剂,冲击强度与胶层厚度无关。

随着使用时间增长,常因黏料的老化而降低粘接强度。胶层的老化与胶黏剂的物理化学变化、使用时的受力情况及使用的环境有关。冷热变更将引起接头中内应力变更,使粘接强度下降,干湿交替使极性黏料构成的胶层脱胶,光、热、氧、水等可使胶层老化。


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