一、胶接接头及其破坏
胶接是指通过胶粘剂夹在中间把两个被粘物连接在一起，胶接过程是一个复杂的物理、化学过程。研究胶接原理的目的在于揭示胶接现象的本质，探索胶接过程的规律，以指导选用合适的胶粘剂、采用合理的胶接工艺、获得牢固的胶接强度。
任何一个简单的胶接接头都包括下列几个部分，如图7-1所示。
图7-1 胶接接头结构示意图
1，9—被粘物2，8—被粘物的表面层3，7—胶粘剂与被粘物的界面4，6—受界面影响的胶粘层5—胶粘剂
当胶接接头受到外力作用时，应力就分布在组成这个接头的每一部分中，而组成接头的任何一部分的破坏都导致整个接头的破坏。
胶接接头的破坏通常有四种形式，如图7-2所示。
①被粘物破坏。
②内聚破坏（即胶粘剂本身分子之间的内聚力破坏），发生这种破坏时被粘物的两个表面都有胶粘剂，破坏面凹凸不平。
③胶接破坏或界面破坏。这种破坏发生在胶层与被粘物表面之间的界面上，在胶接面上只有一个被粘物表面有胶粘剂，破坏面光滑平整，通常叫开胶。被粘物表面处理不好，常会引起这种破坏。
④混合破坏。它既有胶层内部破坏，又有在胶接界面上的破坏，破坏面一部分光滑，一部分粗糙。
图7-2 胶接接头的破坏类型示意图
（a）被粘物破坏（b）内聚破坏（c）界面破坏（d）混合破坏
二、被粘物的表面层结构和性质
胶接工艺涉及的被粘物都是固体，而且粘接作用仅仅发生在表面及其薄层，所以粘接实际上是一种界面现象，因此了解固体的表面特性尤为重要。
对于任何一个物体，其表面层的性质与它的内部情况往往是有所不同的。经过长时间暴露后，其差别更为显著。例如金属表面总是有一层氧化皮，氧化皮的性质又各不相同：铁锈结构疏松，强度很差；铝的自然氧化膜结构比较紧密，粘接活性很低。材料的表面层通常是污染层、尘埃气体吸附层、氧化层以及氧化物—基体过渡层的结构体。物体表面是粗糙的，宏观上是光滑的表面，而在微观上却是非常粗糙、凹凸不平。这样两个固体表面的接触，只能是最高点的接触，其接触面积是非常小的。此外，固体表面又具有多孔性、缺陷性、吸附性等，对这样的表面进行胶接时，在胶接接头中，表面层常因被破坏而导致强度降低，因而称这种表面层为“薄弱表面层”，在胶接前必须进行表面处理，清除掉表面层。
表面处理的方法一般有两类：一类是净化表面，即除去被粘物和表面层不利于胶接的杂质，在制鞋工业中现在多采用机械的方法；另一类是改变被粘物表面的物理、化学性质，使其表面活化、以获得良好的粘接性能，对于惰性材料常采用这种表面处理方法。
三、胶粘剂对被粘物表面的浸润
为了使胶粘剂与被粘物表面牢固地结合，胶粘剂与被粘物表面必须紧密地结合在一起，任何固体放大起来看表面都是高低不平的，要使胶粘剂适合这种“地貌”，在胶接过程中必须使胶粘剂变成液体，并且完全浸润固体表面。要获得强度最大的黏合，首先必须使胶粘剂与被粘物能良好地浸润。如果浸润不完全，就会有许多气泡出现在界面中，在应力的作用下，气泡周围就会产生应力集中现象，使强度大大下降。除此之外，要获得很好的粘接强度，还要满足粘接的充分条件，就是胶粘剂与被粘物发生某种相互作用而形成足够的黏合力。总之，粘接作用的形成，一是浸润，二是黏合力，两者缺一不可。
要使胶粘剂很好地浸润固体表面，需要高能表面的固体和低能表面的胶粘剂。
金属和无机物表面张力在0.001N/cm以上，称为高能表面。一般有机液体都能在高能表面上展开，浸润好，所以胶粘剂大部分用有机物做溶剂。塑料的有机物表面的表面张力比较低，称为低能表面。胶粘剂对低能表面的浸润就不太容易，所以塑料属于难粘材料。在实际应用中都要采取一些措施，如表面活化、降低胶液黏度、给胶层以压力等，以使胶粘剂充分浸润被粘物。
液体对固体表面浸润情况的另一表示方法是临界表面张力（γC）。即当液体的表面张力小于固体的临界表面张力时就能浸润。所谓临界表面张力就是液体能浸润固体表面的最小表面张力。某些胶粘剂的表面张力见表7-2，某些聚合物的临界表面张力见表7-3。
表7-2 某些胶粘剂的表面张力γL（20℃）
注：首先列出水，是因为水在实际使用中通常被用来比较被粘物表面浸润的程度。
表7-3 某些聚合物的临界表面张力γC（20℃）
将表7-2与表7-3对比，可以看出，用环氧树脂难以粘接临界表面张力比它小的聚乙烯、聚四氟乙烯等高聚物。
实际上，某些低能表面材料的黏合，也是基于胶粘剂对被粘物表面充分浸润的原理来进行特殊处理的。降低胶液黏度，提高胶液流动性，给胶层以压力，都能提高胶粘剂的浸润能力。如在胶粘皮鞋生产中，对鞋帮、鞋底起毛，采用气压机对成鞋进行加压，都是使得胶粘剂的浸润能力增强，从而提高粘接强度（黏合强度）。
在实际操作中，为得到最佳的粘接条件，必须满足下列要求：
①液态胶粘剂与被粘物表面的接触角要尽可能的小，以得到最充分的浸润。
②被粘物表面应尽量清除“薄弱表面层”，使其净化，以防止胶粘剂与被粘物表面之间产生气泡或空隙等。
③对于粗糙或具有孔隙的表面，应选择黏度低、流动性好的胶粘剂，以利胶粘剂的浸入。
四、黏合理论
在粘接过程中，胶粘剂分子经过润湿、移动、扩散和渗透等作用，逐渐向被粘物表面靠近。当胶粘剂分子与被粘物表面分子间的距离小于0.5nm时，胶粘剂就能与被粘物产生物理、化学结合，即产生黏合力。
黏合力是胶粘剂与被粘物表面之间通过界面相互吸引和连接作用的力。黏合力的来源是多方面的，它包括机械作用力、分子间力和化学键力。
（一）机械结合理论
任何物体的表面即使用肉眼看来十分光滑，但放大后来看还是十分粗糙、遍布沟壑的，有些表面还是多孔性的。胶粘剂渗透到这些凹凸或孔隙中去，固化之后就像许多小钩子似地把胶粘剂和被粘物连结在一起（图7-3）。胶粘剂和被粘物之间的这种黏合力称为机械作用力。这种观点称为机械结合理论。
图7-3 胶粘剂与被粘物之间的机械连接
这种力虽然很小，却是不可忽视的。特别在粘接多孔材料时，如皮革、布、织物及纸等，机械作用力是很重要的。
（二）吸附理论
此理论认为，黏合作用是胶粘剂与被粘物分子在界面层上相互吸附而产生的。在胶粘剂分子与被粘物表面分子的相互作用的过程有两个阶段：第一阶段是胶粘剂中的高分子溶液由于分子的“微布朗运动”迁移到被粘物表面，使高分子极性基团向被粘物中的极性基团靠近，在没有溶剂的情况下，可以通过加热使胶粘剂的黏度降低，这样，高分子极性基团也能很好地靠近被粘物表面；第二阶段是吸附力的产生，近代物理学告诉我们，原子一分子之间都有着相互作用力，这些作用力可以分为强的作用力（即主价力或化学键）和弱的作用力（即次价力或范德华力），当胶粘剂与被粘物分子间的距离小于0.5nm时，这些分子间力便发生作用，使胶粘剂与被粘物牢固地结合起来。(www.xing528.com)
大量的实验证明，凡是高分子链节上带有极性基团的高分子化合物，一般都具有良好的黏合性能。所以我们在制备胶粘剂时就要选用极性较大的高分子化合物作为胶粘剂的组分。例如在天然橡胶中加入10%的甲基丙烯酸甲酯，就可以使均匀剥离强度增加，达到4MPa；若在橡胶中引入氰基，如加入丙烯腈CH2═CH—CN或甲基丙烯腈，这种改性后的橡胶也具有很高的黏附性能。
吸附理论在解释极性相近的胶粘剂与被粘物之间具有高的粘接强度以及增加胶粘剂与被粘物的极性能提高粘接强度时，是比较成功的。例如聚乙烯醚不是较好的胶粘剂，而聚乙烯醇缩醛树脂、环氧树脂、酚醛树脂却是很好的胶粘剂。但是吸附理论不能圆满地解释这些问题，如对某些非极性聚合物（如聚异丁烯、天然橡胶）之间有很强的黏合力，就无法解释清楚，需要与其他理论互相补充。
（三）扩散理论
这种理论认为，在两种聚合物具有相溶性的前提下，当它们相互紧密接触时，由于分子的布朗运动或链段的摆动产生相互扩散现象，加上胶粘剂与被粘物必须相互可溶、互相渗透，或胶粘剂以溶液的形式涂布、扩散和交织使界面消失，从而使胶粘剂与被粘物之间就形成牢固的粘接接头。
由于扩散理论认为在胶粘剂与被粘物之间存在着强固的扩散层，所以扩散理论很容易解释黏合力是随高聚物黏合后剥离速度快慢而变异的现象，也可以解释塑料黏合的一些现象。但是扩散理论有很大的局限性，它是以高分子链具有柔顺性为条件的，只能适用于与黏合剂相溶的链状高分子材料的黏合，对于用胶粘剂粘接金属、玻璃、陶瓷等材料，还不能完全用扩散理论进行解释。
（四）化学键结合
各种原子、分子作用力的能量见表7-4。
表7-4 各种原子、分子作用力的能量
注：1kcal=4.18kJ。
化学键包括离子键、共价键及金属键。从表7-4可以看出化学键的强度比范德华力高得多，因此胶粘剂与被粘物之间如果能够形成化学键结合无疑有很多好处。
高聚物与金属之间形成化学键的一个典型例子是硫化橡皮与镀黄铜的金属之间的粘接。用电子衍射法可以证明，黄铜表面上形成了一层硫化亚铜，它通过硫原子与橡胶分子结合在一起。
化学键起作用的另一个例子是金属与橡胶，合成纤维与橡胶之间通过异氰酸酯进行粘接。
一些难粘材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚有机硅氧烷等，表面经过氧化处理或者辉光放电处理之后，能使粘接强度大大提高，很可能与这些材料获得反应活性有关。
化学键结合对于胶接工艺的重要意义最容易从硅烷偶联剂的广泛应用得到说明。偶联剂分子必须具有能与被粘物表面发生化学反应物基团，而分子的另一端能与胶粘剂发生化学反应。
（五）静电理论
此理论认为，当胶粘剂—被粘物体是一种电子的接受体—供给体的组合形式时，由于电子从供给体相（如金属）转移到接受体相（聚合物），在界面区两侧形成双电层。双电层电荷的性质相反，从而产生静引力。这就是静电吸引理论对聚合物和金属粘接的解释。这样对不产生双电层的非极性物质就似乎不能粘接，或具有很小的黏合力，但事实上很多非极性物质可以进行牢固的粘接，因此静电理论不能完全解释粘接原理。
（六）总结
根据迄今为止的研究，胶粘剂和被粘物之间可能发生机械结合、物理吸附、形成化学键、互相扩散等作用。由于这些作用使胶粘剂和被粘物之间产生了黏合力，但是各种作用力的贡献大小目前尚不能通过实验加以鉴别。根据理论计算，任何原子、分子之间普遍存在的范德华力足以产生很高的粘接强度，但是仅仅以物理吸附对粘接强度作出贡献的粘接接头，对于应力集中和破坏性环境影响的抵抗能力恐怕满足不了实用的要求。因此对于一个优良的粘接接头，在界面中胶粘剂分子与被粘物分子之间互相分散，或者形成化学键（至少有氢键）结合是必要的。
五、影响粘接强度的因素
影响粘接强度的因素有很多，下面介绍几个主要因素。
（一）胶粘剂性质对粘接强度的影响
胶粘剂性质对粘接强度的影响很大，胶粘剂的相对分子质量、分子结构、极性及胶粘剂中所加的各种助剂均对粘接强度有影响。
相对分子质量是聚合物很重要的参数，它对聚合物的一系列性能起决定性作用。以直链状无支化结构的聚合物为例，有两种不同的情况。其一是在粘接体系均为内聚破坏的情况下，粘接强度随相对分子质量的增大而升高，并高到一定范围后渐趋向一个定值。其二是粘接体系是多种形式破坏时，往往存在下述规律：相对分子质量较低时，一般发生内聚破坏，此时粘接强度随相对分子质量增加而上升，并趋向一个定值；当相对分子量增大到使胶层的内聚力等于界面的黏合力时，开始发生混合破坏；相对分子质量继续增大，由于胶粘剂的湿润性能下降，黏合体系发生界面破坏，而使粘接强度严重降低。所以一般可选择中等相对分子质量的高聚物作为胶粘剂黏料，它既有很好的扩散能力，又具有良好的黏合力。
黏料的分子结构与胶粘性能也有着密切的关系。分子中含有的极性基团越多，极性越强，粘接强度越好。含有极性基因的胶粘剂对于极性高分子化合物具有较强的黏合力，而对非极性高分子化合物则较差，这是由于结构相似，混溶性较好，有利于扩散的缘故。
另外，胶粘剂的其他组分如填料、固化剂、溶剂（稀释剂）等对粘接强度也有一定影响。加入适当的稀释剂可降低黏度，增加流动性，有利于浸润，但若加入过多，会影响胶粘剂的耐温性和内聚强度，还会造成浪费，使操作工艺复杂化，因此，要根据被粘物性质以及工艺要求选择适宜的胶粘剂配方。例如氯丁胶有高结晶、中结晶、低结晶之分，胶粘鞋流水线只适于使用低结晶氯丁胶，若采用高结晶的氯丁胶粘接时，由于氯丁胶已经固化，不能黏合。可见选择最适宜的胶粘剂是获得最大粘接强度的先决条件。
（二）被粘物表面性质对粘接强度的影响
被粘物的表面状况对胶粘剂的选择及粘接过程有很大影响，它直接影响黏合力的产生，对粘接强度的影响也较大。
被粘物表面常常吸附有水分、尘埃、油污等附着物，这些附着物会降低胶粘剂的浸润性，阻碍胶粘剂直接接触被粘物的基本表面。因此，从表面张力角度来说，只有被粘物表面清洁性好，才能保证具有相当高的表面能，使胶粘剂对被粘物表面有良好的亲和力。
被粘物表面粗糙度对胶粘强度也有影响，一般被粘物的粗糙表面比光滑表面更容易被浸润，因此，常通过打磨等处理方法，使被粘物表面具有一定的粗糙度。但是，表面过于粗糙，又会影响胶粘剂对被粘物表面的浸润性，而且易于吸附空气，使表面峰尖容易切断胶层，造成黏合界面的不连续性，构成应力集中点，使黏合界面提前破坏，反而降低了粘接强度，可见打毛等表面处理要适中。
被粘物表面除了进行清洁并具有适当的粗糙度外，表面的化学性质对粘接强度也有很大的影响。表面化学性质是指被粘物表面张力大小、极性强弱等，它可以影响胶粘剂的浸润性和化学键的形成，随着化学工业的发展，许多新的合成材料进入制鞋工业，用以代替天然材料。有些材料如聚乙烯、聚丙烯等，分子间排列规整、致密、表面惰性大，较难黏合，如果采用一般的处理方法，则粘接强度会大大下降，只有经过表面活化处理，提高表面极性，才能得到理想的胶粘效果。
由此可见，要得到良好的粘接强度，必须重视被粘材料的表面处理。
（三）操作工艺对粘接强度的影响
一般粘接强度随着胶厚厚度的增加而降低。这是因为胶层薄有利于胶粘剂分子的定向作用，不易产生裂纹和缺陷，同时胶层薄，胶粘界面上的黏合力起主要作用，而黏合力往往大于内聚力，还可以节约用胶量，降低成本；反之，胶层越厚界面上产生的缺陷越多，使粘接强度下降。因此胶层以薄一些为好，但也不是越薄越好，胶层太薄，容易造成缺胶现象，不能形成连续的胶层，反而使粘接强度下降。通常对胶层厚度应加以控制。无机胶的胶层厚度控制在0.l～0.2mm，有机胶的胶层厚度最好控制在0.03～0.15mm。
（四）黏合温度与压力对粘接强度的影响
被粘物用胶粘剂粘接形成接头时，如升高温度，则分子热运动加强，有利于提高黏合力。增大压力是为了达到最大接触面积，对于液态胶粘剂只需有接触压力就行了，对固态胶粘剂增大压力则有利于胶粘剂均匀铺展在粘接面上，使黏合力提高。
（五）胶粘剂的配方
为了使胶粘剂具备综合的力学性能，人们研究出各种成分复杂的配方。在前面已经分别叙述过各种因素的影响，为了清楚起见，现在把这些因素粗略地加以归纳并列入表7-5中。
表7-5 胶粘剂配方中各种因素的影响
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