黏接过程原理：胶黏剂的润湿、扩散和吸附

1.胶黏剂与基材黏接过程

黏接是不同材料的界面间接触后相互作用的结果。因此，界面层作用是黏接过程研究的基本问题。黏接基材胶黏剂的界面张力、表面自由能、官能团性质、界面反应等，都影响黏接效果。黏接力的形成，主要包括胶黏剂在基材表面润湿，胶黏剂分子向基材表面润湿、扩散和渗透，以及胶黏剂与基材形成物理化学和机械结合等过程。

（1）胶黏剂润湿铺展阶段

润湿是液态物质在固态物质表面分子间力作用下均匀分布的现象。不同液态物质对不同固态物质的润湿程度不同。涂布黏接是用液态胶黏剂（包括熔融的液态）把固态的基材黏在一起，胶黏剂在基材表面润湿良好，是产生物理化学结合的基本条件。

胶黏剂在基材表面的润湿，同样需要满足液体在固体表面润湿的一般条件。

液体与固体接触表面处存在接触角，其值大小表示润湿程度。接触角越小，润湿状态越好。当θ等于0时，固体表面完全润湿；θ在0°～90°，表面可以润湿；θ大于90°，表面不润湿；当θ为180°时，绝对不润湿。固体表面的接触角及润湿程度如图3-1所示。

图3-1　固体表面接触角与润湿程度

液体对固体的润湿程度，主要取决于其表面张力大小。当一个液滴在固体表面达到热力学平衡时（如图3-2所示），应满足如下方程式。

式中，γS为固体表面张力；

γL为液体表面张力；

γSL为固、液间界面张力；

θ为液、固界面间接触角。

如图3-2所示，在固体和液体接触点上，存在液体的表面张力γL，固体表面张力γS和液固界面张力γSL三个作用力。如果这三个力的合力使接触点上液滴向左方拉，则液滴扩大，θ变小，固体润湿程度变大；若向右方拉，则产生相反现象。这里，向左方拉的力是γS，向右方拉的力是γLcosθ+γSL，由此得γS＞γLcosθ+γSL时，润湿程度增大；γs＜rlcosθ+γSLγS=γLcosθ+γSL时，液滴处于静止状态。

图3-2　液体在固体表面达到热力学平衡

由式（3-1）可得

由式（3-1）和式（3-2）得出结论：表面张力小的物质能够很好地润湿表面张力大的物质，而表面张力大的物质不能润湿表面张力小的物质。

（2）胶黏剂分子的铺展和扩散

胶黏剂润湿基材表面，是形成黏接力的必要条件。要使胶黏剂与基材产生机械和物理化学结合，胶黏剂分子与基材分子之间的距离必须小到一定程度（一般在1nm以下）。此时，胶黏剂分子的铺展和扩散十分重要。

通常，胶黏剂体系中的分子热运动处于杂乱无序的状态。胶黏剂与基材接触后，对胶黏剂分子产生一定的吸引作用。胶黏剂分子，尤其是分子带有极性基团的部分，会向被黏物表面移动，并向极性键靠拢，表现为铺展和扩散。当它们的距离小于0.5nm时，便产生物理化学的结合。

（3）胶黏剂的渗透

任何基材表面都存在一定的孔隙和缺陷。胶黏剂作为流动性液体，黏接时向基材孔隙的渗透，将增大胶黏剂与被黏物的接触面积，有利于胶黏剂与基材间产生机械结合力。

胶黏剂的渗透，也是胶黏剂在外力作用下被压入基材孔隙的过程。胶黏剂渗入基材孔隙的深度，取决于接触角大小、孔径大小、压力等因素。

在上述基础上，胶黏剂与基材间，通过物理化学或者机械结合作用，形成黏结作用，实现胶黏剂与基材的黏合。(www.xing528.com)

2.胶黏剂与基材黏接作用原理

黏接是综合性强、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，所以至今没有全面且唯一的理论。20世纪40年代以后出现了各种黏结机理理论，其中，主要的理论有以下几种。

（1）吸附理论

固体对胶黏剂的吸附，称为黏接的吸附理论。

该理论认为，黏接力的主要来源是黏接体系的分子作用力，即范德华引力和氢键力。胶黏剂与基材表面的黏接力与吸附力具有某种相同的性质。胶黏剂分子与被黏物表面分子的作用过程有以下两个过程。

第一阶段是液体胶黏剂分子借助于布朗运动向基材表面扩散，使两界面的极性基团或链节相互靠近。升温、施加接触压力和降低胶黏剂黏度等，都有利于布朗运动的加强。

第二阶段是吸附力的产生。当胶黏剂与基材分子间距离达到5～10Å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最稳定状态。

胶黏剂的极性有利于提高黏结强度，但极性过高，又会降低湿润效果，降低黏接力。可见，分子间作用力是提供黏接力的因素，但不是唯一因素。

（2）化学键形成理论

化学键又称主价键力，存在于原子（或离子）之间，胶黏剂与被黏物分子之间，除分子间的相互作用力外，有时还有化学键作用。该理论认为胶黏剂与被黏物表面产生化学反应后在界面上形成化学键结合而把两者牢固地连结起来。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。化学键力包括离子键力、共价键力、配位键力。离子键力有时候可能存在于无机黏结剂与无机材料表面之间的界面区内，共价键力可能存在于带有化学活性基团的胶黏剂分子与带有活性基团被黏物分子之间，化学键的强度比范德华作用力大得多；化学键形成不仅可以提高黏附强度，还可以克服脱附使胶接接头破坏的弊病。但化学键的形成，需要满足一定的条件，并非所有胶黏剂基之间的接触点都能够形成化学键。一般而言，单位黏附界面上化学键数要远少于分子间作用数，因此，黏接强度主要来自分子间作用力。

（3）弱边层理论

黏结作用的弱边界层理论是Bikerman在1961年提出的。黏接体系由于工艺上或结构上的原因，存在着弱边界层。比如胶黏剂中那些不溶解于固化物中的组分而分相产生了弱边界层，以及出于微区结构上的不均一性而产生弱边界层。同时，破坏发生在界面层的概率几乎为零。因为就破坏裂缝来说，它的传递有三种方式，即在界面层、基体中或片基中传递，因此沿界面层传递的概率只有1/3，破坏通过（n+1）分子传递的概率则为（1/3）n，所以破坏发生在界面的可能性几乎没有。

黏接体系由于工艺上或结构上的因素影响，体系不可避免地存在有这种或那种弱边界层，破坏总是发生在弱边界层处，而这种弱边界层存在于界面的概率只有l/3。因此破坏发生在界面的概率较小，大部分发生在本体中。

（4）扩散理论

有人认为，两种具有相容性的聚合物紧密接触时，由于分子的布朗运动或链段的摆动，发生相互扩散作用。这种扩散作用是穿越胶黏剂、被黏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，进而实现聚合物间的黏接。黏接体系扩散理论的局限性，在于不能解释聚合物材料与金属、玻璃或其他硬体胶黏剂，因为聚合物很难向这类材料扩散。

（5）静电理论

当胶黏剂和被黏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），在界面区两侧形成双电层，从而产生了静电引力实现黏接。

但静电作用仅存在于能够形成双电层的黏接体系，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/cm2时，静电吸引力才能对黏接强度产生较明显的影响。而双电层迁移电荷产生密度的最大值只有1019电子/cm2（有的认为只有1010～1011电子/cm2）。因此，静电力不是形成黏接的主要因素。

（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黏接力的因素，而是增加黏接效果的一种方法。胶黏剂渗透到被黏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。在黏合多孔材料、纸张、织物等物品时，机构连接力是很重要的，但对于某些坚实而光滑的表面，这种作用并不显著。

胶黏剂与被黏物的机械结合力，通常有以下几种形式。

①钉键作用。黏接过程中，胶黏剂渗透到基材的直筒形孔隙中，固化后就形成了很多塑料钉子。这些塑料钉子簇，使胶黏剂与被黏物之间产生了很大的摩擦力，增加了彼此间的黏合力，这种现象称为“钉键作用”。

②勾键作用。基材表面的空隙，有许多是呈钩状的。当渗入其中的胶黏剂固化之后，形成的塑料勾，称为“勾键”。“勾键”的强度，取决于胶黏剂本身的强度。

③根键作用。基材表面的大孔隙里面延伸着很多小孔隙，胶黏剂渗入后就像树根一样，深入到被黏物孔隙中形成牢固的结合力，称之为“根键”。

④榫键作用。当基材表面存在较大的发散锥形孔隙缺陷时，渗入的胶黏剂固化后，形成许多塑料榫将基材牢牢紧固，这种结合称之为“榫键”结合。

总体上，黏接接头由两个被黏物之间夹一层胶黏剂所构成。黏接接头的强度取决于胶黏剂的内聚强度、被黏材料强度和胶黏剂与被黏材料之间的黏合力，而最终强度又受三者中最弱的因素所控制。