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第一章 粘结理论和机理

1、引言:
a.粘接的主要应用时胶黏剂,粘接正在取代或者至少部分取代更为经典的机械连接方法,然而粘接件不是胶黏剂的惟一应用,凡是与固体相互接触的地方,都与粘接的应用有关,多组分材料的最后使用性能很大程度上取决于固体之间界面的特性,因而实际应用需要更多的粘接方面的知识;
b.如果从分子、微观和宏观不同的观点讨论,或者讨论界面形成或者粘接系统的破坏时,“粘接”这个术语涉及完全不同的概念,既可以表示界面键的形成,也可以表示机械负载时的破坏装配体系,事实上研究粘接机理的主要难点之一在于它涵盖了聚合物科学、表面和界面物理化学、材料科学、机械和微机械破坏和流变学等学科领域,专家对观察到的同一现象进行研究,采用不同的概念和途径处理的方法有很大的差异,提出了很多粘接理论,有的互相补充,有的互相矛盾;

2、粘接机理:
a.机械互锁理论:由McBain和Hopkins于1925年提出,他们认为进入固体表面孔穴的机械锁栓是决定粘接强度的主要因素;此理论最大的不足之处是有研发认为,粘接强度的提高不是机械栓的作用,而是由于表面粗糙,断裂时裂缝周围和材料本体消耗的黏弹性或者塑性能量增加所致;
b.电子理论:又称为双电层理论、静电理论、平行板电容器理论,最早由Deryaguin及其同事们于1948年提出的,他们认为具有不同电子层结构的基体和胶黏剂会发生电子转移以维持Fermi平衡,界面形成双电层,粘接强度主要是静电引力的贡献;
c.弱界面层理论-界面相的概念:胶黏剂浸入界面附近,形成与本体材料不同的具有特殊性能或性能变化的界面区,Bikerman第一个提出即使体系破坏似乎在界面,决定粘接强度的主要因素还是弱边界层wbl的粘接力,界面层的创立引起了人们的高度注意,形成了粘接科学中广泛使用的“厚界面层”或“界面相”的概念,不管胶黏剂和基材的性质如何,界面相都会形成;
d.吸收(或热力学)理论(也称润湿和酸碱理论):目前粘接科学中使用最广泛的是热力学模型,Sharpe和Schonhorn是其主要贡献者,该理论认为胶黏剂与基体紧密接触,界面上存在原子和分子之间的作用力,最常见的界面力士由范德华力和路易斯酸碱相互作用形成的;此理论涉及了两个模型,一个是润湿准数、表面和界面自由能及粘接功,另一个是粘接强度测量值G与粘接能W的关系模型;
e.扩散理论:扩散理论的基本假设是聚合物自身(自动粘接)或相互之间的粘接强度以大分子通过界面相互扩散为基础,并产生界面相,该机理的主要支持者为Voyutski,他认为大分子链或链片段能充分移动和相互溶解,这对于许多粘接问题都非常重要;事实上与扩散现象有关的主要科学理论是界面区聚合物链的动力学,20多年来由De Gennes提出,后来由Doi、Edwards和Graesslei发展的理论方法;
f.化学键理论:胶黏剂-基体界面上化学键的形成可以大大提高两种材料之间的粘接力,与称之为次价力的物理相互作用比较,化学键被认为是最主要的,主要还是次要取决于每种类型的相互作用力和结合能的相对大小,其中Gent和Ahagon在该领域进行了卓有成效的工作;

3、结论:
a.粘接是超出任何单一模型或理论的十分复杂的领域,由于粘接现象非常普遍,粘接材料多种多样,粘接条件复杂多变,不可能找到一个能够解释所有试验事实的普适理论;
b.实际上,可能同时包含几个粘接机理,一般认为,吸附或热力学理论是应用最广的,它介绍了界面上如何紧密接触并形成物理作用力,随后出现的互锁理论扩散理论和化学键理论进一步增强了粘接强度,是十分必要的;
c.体系粘接强度的测定可以从三个有关方面表达:
■界面分子相互作用;
■本体材料的机械和流变学特性;
■界面相的特征。
前两个方面引起表面物理化学领域和断裂机理的极大注意,第三个方面是完全真正理解粘接的难点。

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