第二章 粘接原理与粘接技术.doc

本文由赤脚兽医1988贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 选修课 多媒体课件 粘 接 主讲： 主讲：赵 鑫 苏州科技学院 剂 20112011-3-29 1 第二章 粘接原理与粘接技术 本章主要内容 2.1 被粘物表面特征及表面要求 2.2 润湿和粘接理论 2.3 被粘物表面处理方法 2.4 胶粘剂的固化 2.5 粘接强度及其影响因素 2.6 粘接接头的设计 20112011-3-29 2 2.1 被粘物表面特征及表面处理要求 一固体表面的形态特征 1、固体表面的粗糙性 2、固体表面的多孔性 3、固体表面的吸附性和复杂性 4、固体表面的缺陷性 20112011-3-29 3 2.1 被粘物表面特征及表面处理要求 二被粘物表面的处理要求 净化被粘物表面物理机械法 1、净化被粘物表面 物理机械法 机械处理： 洗涤： 改变被粘物表面物理化学性质化学法 2、改变被粘物表面物理化学性质 化学法 金属的表面活化： 高分子材料的表面活化： 20112011-3-29 4 2.2 润湿和粘接理论 一、 润湿 液体在固体表面分子间力作用下的均 匀铺展现象。 表示液体对固体的亲和性。 物质的表面张力： 通常金属、氧化物、无机物的表面张力较大， 约为0.2-5Nm-1. 聚合物固体、有机物、胶粘剂、水等，表面 张力较小，一半小于0.1Nm-1. 20112011-3-29 5 2.2 润湿和粘接理论 二、粘接力 粘接力：指粘接剂与被粘物表面之间的连接力。 包括机械嵌合力、分子间力、和化学键力。 嵌合力：粘接剂润湿、渗透在材料的空隙中固 化后因镶嵌形成的力。 分子间力：粘接剂与被粘物表面之间的吸引力。 化学键力：粘接剂与被粘物表面之间形成化学 键。 20112011-3-29 6 2.2 润湿和粘接理论 三、粘接力的种类及粘接理论 1化学键键合力（共价键、配位键、离子键、金属键等） 如： O R OH + NCO R R O C NH R 化学键 基于化学键理论，通过化学键结合。键合力是粘接 力中最强也最理想的一种力，但化学键力存在并不非 常普遍。 20112011-3-29 7 2.2 润湿和粘接理论 2分子间作用力（又称次价力） 基于吸附理论和扩散理论： 界面上发生吸附作用而产生分子间力。 分子或分子链的扩散而形成粘接力（自粘接 作用）。 分子间作用力包括取向力，诱导力，色散力 和氢键。 胶粘剂固化后这种次价力作用很大，而且普 遍存在，是粘接力的重要组成部分 。 8 20112011-3-29 2.2 润湿和粘接理论 3机械作用力 基于摩擦理论：对表面粗糙，多孔性材料的 粘接，常可产生较大的机械作用力（摩擦力） 而形成粘接。 机械力对非极性多孔材料的粘接起决定性作 用。 4界面静电吸引力 基于静电理论：具有供电子体与受电子体性 质的两种物质相接触，可形成双电层而产生界 面静电吸引力（较弱）。 20112011-3-29 9 2.2 润湿和粘接理论 注意：以上几种力的产生是具有条件的，即力 场的范围不超过1nm，作用力最强范围为0.3 0.5nm。故要求粘接点密度高，润湿好。 四、粘接过程的界面化学 1.形成良好粘接的先决条件： 胶液与被粘材料表面可形成良好的润湿。 粘合剂必须具有流动性以便充分接触和渗透； 胶层有一定内聚强度，液态胶内聚强度接近0， 必须固化形成粘接； 故良好粘接作用的形成：润湿是前提，流变、扩 散是重要过程，渗透是有益作用，成键是关键。 20112011-3-29 10 2.2 润湿和粘接理论 2.表面现象基本原理： 液体在固体表面湿润达到热力 学平衡时，存在下列关系： sl l s 显然： s越大， l 越小，则角越小，越易湿润， 既张力小的液体物质可很好的湿润表面张力大的 物质，反之不行。如油水的铺展。 20112011-3-29 11 = 0o 铺展 s ? sl ? s = sl + l cos ?cos = ? ? 0 90o 不湿润 ? 2.2 润湿和粘接理论 通常金属、玻璃、陶瓷、（木材）等无机 物表面张力很大，容易被胶粘剂湿润，粘接容 易。但当其表面被油污染后，表面张力变小， 湿润变差，常使粘接失败，这就是涂胶前进行 脱脂处理的原因。 20112011-3-29 12 2.3 被粘物表面处理方法 一、表面清理 除杂、除污、脱漆等。 二、脱除油脂 1、溶剂除油： 常用溶剂： 丙酮、甲乙酮、汽油、无水乙醇； 四氯化碳、三氯乙烯、过氯乙烯等 2、碱液除油： 特点：主要用于动植物油的去除，但除矿 物油效果差，常需配制碱液清洗剂。 20112011-3-29 13 2.3 被粘物表面处理方法 碱液除油清洗剂配方： 碱液除油清洗剂配方： 配方 钢铁 铜及其合金 铝及其合金 氢氧化钠：50-60g/L 碳酸钠： 50-60g/L 10-20g/L 磷酸钠： 86-100g/L 10-20g/L 10-30g/L 硅酸钠： 10-15 g/L 25g/L 3-5g/L OP乳化剂： 2-3g/L 2-3g/L 处理条件：80/30min 20112011-3-29 70/30min 50/10min 14 2.3 被粘物表面处理方法 3、超声波除油 、 适合结构复杂的构件。 三、除锈 1、机械法： 、机械法： 2、化学法： 、化学法： 硫酸+缓蚀剂（硫脲、联苯胺、食盐等） 盐酸+缓蚀剂（六次甲基次胺、甲醛等） 20112011-3-29 15 2.3 被粘物表面处理方法 四、表面化学处理 1、金属的表面活化或钝化 2、难粘材料的表面活化 PE/PP: 配方：重铬酸钾（5份）+ 浓硫酸（60份）+水（3份） 处理条件：60-70/10-20min PTFE: 配方： 金属钠 （23g） + 精萘 （128g） + 四氢呋喃（1000ml） 处理条件：室温 ，1-5min。 20112011-3-29 16 2.4 胶粘剂的固化 1.热熔胶的固化 冷却固化形成粘结 注意：（1）使用温度要低于热熔胶的Tg. （2）要严格控制熔融温度（确保充分润湿）和凉 置时间（速度：不能冷却太快而影响结晶，使F下 降） 2.溶液型胶粘剂的固化 利用溶液的挥发固化. 注意： 1）挥发速度的控制 2）施工安全：防火灾，防中毒。 20112011-3-29 17 2.4 胶粘剂的固化 3.乳液型胶粘剂的固化 利用水的吸除与挥发固化，类似于溶液型胶 粘剂的固化。 注意：施胶时环境温度要高于其最低成膜温 度。 4.反应型胶粘剂的固化 利用加入固化剂、引发剂、催化剂或利用物 理方法（如：光敏化、光热辐射）而使胶基料 中的活性基团发生化学交链而固化。 20112011-3-29 18 2.4 胶粘剂的固化 注意： 注意 1）固化中防止出现凝胶化现象，凝胶化急剧放 热，破坏胶层形成，使粘接失败。 出现凝胶化现象的原因： a.固化剂过量，b.局部固化剂不均匀。 2）固化温度的控制：严格按设定固化温度进行， 高温固化的胶种最好采用程序升温固化，防止溢 流、分层（高温条件下固化，有挥发性小分子生 成的胶种，要施压粘接固化；不产生小分子的胶 种，仅施接触压力粘接固化）。 20112011-3-29 19 2.4 胶粘剂的固化 3）固化剂用量要严格控制：一般按化学计量 略过量（5%）。 4）固化速度的控制： 使用混合固化剂， 催化固化； 使用氧化还原引发体系，降低固化温度，提 高固化速度。 20112011-3-29 20 2.5 粘接强度及其影响因素 粘接强度：单位粘接面承受的粘接力。 粘接强度包括胶层的内聚强度和粘接强度及材 料自身强度。 粘接强度的大小与胶粘剂的组成、基料的结构 与性质、被粘物的性质及粘接工艺有关。最终强 度取决于三者中最弱者。 一基料的物理力学性能 以非晶态线型高聚物为例讨论。 21 20112011-3-29 2.5 粘接强度及其影响因素 1. 线型非晶态高聚物的物理状态 Tg玻动化温度 Tf粘流化温度 图. 线型非晶态高聚物的形变温度曲线 20112011-3-29 22 2.5 粘接强度及其影响因素 上图直观地反映了基料在一定温度下所处的 物理状态及其力学性能。 故选用胶粘剂基料时，要注意基料的物理 状态应与胶粘剂的使用条件一致。 例：通常胶粘剂基料在室温下或在使用温度 范围应处于玻璃态：即Tg应高于室温或使用温 度。 但对热熔胶，其Tg不能太高，否则施胶不 方便。Tg太高的热熔胶可以加入增塑剂或调节 分子量进行调整 20112011-3-29 23 2.5 粘接强度及其影响因素 2.高分子材料的蠕变和应力松弛 1）蠕变：在外力作用下，高分子材料产生变 形时，形变的建立需要一定的时间，而且在外 力保持恒定时，形变会随时间的延长而增大。 这种现象称为蠕变。 蠕变在Tg （玻璃转化区）附近最明显。在 高弹态或TTg 时，蠕变均不明显。 2）应力松弛：将材料的变形固定起来，其应 力随时间延长而下降的现象叫应力松弛。 应力松弛同样在Tg附近（玻璃转化区）最明 显. 20112011-3-29 24 2.5 粘接强度及其影响因素 3）蠕变、应力松弛与粘接强度：易产生蠕变 和应力松弛的基料，会降低粘接强度，但适当 的蠕变和应力松弛可防止胶层应力开裂，对粘 接有利。 二.影响粘接强度的物理因素 1粗糙度和表面形态 被粘材料表面洁净，粗糙度大，可增大粘接 面积，提高机械粘接力而增大粘接强度。 但若胶对材料的润湿不好（润湿角90。），凹 凸处润湿不均匀，粘接面积变小，故粗糙度大 对粘接不利。 20112011-3-29 25 2.5 粘接强度及其影响因素 2.弱界面层 粘接力来源于分子间力的情况下，胶液和被 粘物中相容性差的杂质，会向界面迁移，当杂质 层与被粘物和胶层的吸附力不同时，便会形成弱 界面层。 通常添加偶联剂等可以消除弱界面层。 3内应力 1）应力：单位截面上附加的力，称为应力。 2）内应力：胶接部位在未受到外力作用时，内 部所具有的应力，称内应力。 20112011-3-29 26 2.5 粘接强度及其影响因素 内应力 收缩应力（因固化收缩而产生，具有永久性） 热应力（热膨胀系数不同而产生，具有暂时性） 3）内应力的危害：内应力会降低粘接强度。 4）消除内应力的方法： a.加入易蠕变的基料； b.程序升温固化； c.加填料：如金属粉，可减小热膨系数； d.调节热膨胀系数。 20112011-3-29 27 2.5 粘接强度及其影响因素 4.胶层厚度 在胶层均匀的条件下，胶层厚度减少，粘接 强度升高，胶层越厚，固化后收缩量越大，内 应力越大，不利于粘接；但也不能太薄，一般 厚度应为0.080.15mm；无机胶层应为0.1 0.2mm。 5.使用时间 20112011-3-29 28 2.5 粘接强度及其影响因素 三.胶粘剂基料的化学结构与粘接强 1.极性与内聚能密度（CED） 1）粘结材料破坏类型：内聚破坏、混合破坏、 材料破坏和界面破坏。 好的粘接应为内聚破坏、混合破坏或材料破 坏。 2）基料的极性与粘接强度：基料极性大，对 极性表面，粘接强度大，但对非极性表面粘接 力小。 20112011-3-29 29 2.5 粘接强度及其影响因素 3）基料极性与内聚能密度 内聚能密度（CED）：即分子聚集在一起的 能量大小，它可表示基料极性的大小。 CED越 大，基料极性也越大。 (CED) 20112011-3-29 1/ 2 = = G M 30 2.5 粘接强度及其影响因素 2. 分子量与分子量分布 （1）基料高聚物的强度随分子量增大而增大 当基料分子量降低时，常发生内聚破坏， 但M太小，粘接强度小。 M增大，内聚能（分子间力）增大，当 F内聚= F界面粘接，则发生混合破坏。 M太大，F内聚很大，同时润湿性下降， F界面粘接下降，则发生界面破坏。 20112011-3-29 31 2.5 粘接强度及其影响因素 （2）基料高聚物平均分子量一定，则： 体系内低聚物多，基料强度低，常发生内聚 破坏； 体系内高分子聚合物多，基料强度高，易发 生界面破坏； 界于二者之间的情况，易发生混合破坏。 20112011-3-29 32 2.5 粘接强度及其影响因素 3.主链与侧链结构 1）主链结构：直接决定胶层的刚柔性 由单键组成的主链柔性大，胶层抗冲击性能 好； 若主链中含有芳环、芳杂环等不易内旋转的 结构，则胶层柔性小，刚性大，粘接性能和抗 冲击性较差，但耐热性好； 主链既含有柔性结构又有刚性结构，则综合 性能优良。 20112011-3-29 33 2.5 粘接强度及其影响因素 2）侧链结构：侧链的种类、体积、位置、数量、 长短均影响胶层性能。如极性与刚柔性的关系； 侧链间距与柔性关系；长短与柔性关系。 4.交联度 基料交联后，胶层内聚力增大（化学键，体型 结构）。所以适中的交联度，可提高粘接强度； 但交联度太大，胶层柔性变小，出现胶层发脆现 象而影响粘接强度。 20112011-3-29 34 2.5 粘接强度及其影响因素 5.聚集状态 线型基料的结晶情况，对粘接性能影响显 著： 1）结晶度大，基料内聚能大，强度大，模量 大，耐热性好。但柔韧性变差，胶层变硬， 粘结性不好。适度的结晶度对粘接有利。 2）适量的纤维结晶可提高力学性能，但球晶 常使胶层力学性能下降。 20112011-3-29 35 2.5 粘接强度及其影响因素 四.粘接工艺与粘接强度 粘接工艺通常包括以下工序： 1）表面制备：机械处理、除油处理、化学处理 2）配胶：准确配比、控制好粘度 3）涂布：胶层要厚度适中且均匀 4）晾置与叠合： 5）清理与防粘连：清除多余胶液确保牢固美观 6）固化：掌握固化压力、温度及固化时间 7）检查与整修 20112011-3-29 36 2.6 粘接接头的设计 一、粘接接头的重要性 粘接接头的作用： 1、粘接接头的作用：接头是粘接部件的不连续部 起传承应力的作用。 分，起传承应力的作用。 影响接头强度的因素 接头强度的因素： 2、影响接头强度的因素： 胶粘剂的内聚强度； 1）胶粘剂的内聚强度； 测试强度取 决于三者中 被粘物的强度； 2）被粘物的强度； 胶粘剂与被粘物界面的粘接强度； 3）胶粘剂与被粘物界面的粘接强度； 最弱者。 接头的形式、几何尺寸； 4）接头的形式、几何尺寸； 前三者一定，测试强 度取决于接头设计和 加工质量。 5）加工质量。 加工质量。 20112011-3-29 37 2.6 粘接接头的设计 二、粘接接头的受力情况 剪切力 拉伸力 不均匀扯离力 20112011-3-29 剥离力 38 2.6 粘接接头的设计 三、粘接接头破坏的几种情况 内聚破坏 （少） 20112011-3-29 界面破坏 （少） 混合破坏 （多) 39 2.6 粘接接头的设计 四、接头的设计原则 设计接头尽量承受拉伸和剪切力，尽量避免 剥离和不均匀扯离力； 在可能允许的情况下，尽量增大粘接面积， 提高胶层承载能力； 对木材和层压材料的粘接应防止层间剥离， 可采取斜接，提高粘接强度。 粘接时可选与被粘接材料刚度相同或相似的 胶粘剂，最大限度减小应力集中。 承受作用力较大的情况，可采用复接方式。 20112011-3-29 40 2.6 粘接接头的设计 接头结构设计应方便粘接工艺的实施。 应选用热胀系数较小的材料进行粘接，热胀 系数相差较大的管材应采用热胀系数小的在外的 套接方