常見(jiàn)的膠黏劑及其粘結(jié)機(jī)理

1、一、膠黏劑的定義：通過(guò)界面的黏附和內(nèi)聚等作用，能使兩種或兩種以上的制件或材料連接在一起的天然的或合成的、有機(jī)的或無(wú)機(jī)的一類(lèi)物質(zhì)，統(tǒng)稱(chēng)為膠黏劑，又叫黏合劑，習(xí)慣上簡(jiǎn)稱(chēng)為膠。簡(jiǎn)而言之，膠黏劑就是通過(guò)黏合作用，能使被黏物結(jié)合在一起的物質(zhì)。二、膠黏劑的分類(lèi)：膠黏劑的分類(lèi)方法很多，按應(yīng)用方法可分為熱固型、熱熔型、室溫固化型、壓敏型等；按應(yīng)用對(duì)象分為結(jié)構(gòu)型、非構(gòu)型或特種膠；按形態(tài)可分為水溶型、水乳型、溶劑型以及各種固態(tài)型等；從膠黏劑的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)分，則膠黏劑主要分為土木建筑、紙張與植物、汽車(chē)、飛機(jī)和船舶、電子和電氣以及醫(yī)療衛(wèi)生用膠黏劑等種類(lèi)。所以用途不同的膠黏劑的作用機(jī)理也是大不一樣的，下面就各種材料：木材

2、、玻璃、金屬、紙張和塑料的粘結(jié)機(jī)理做以簡(jiǎn)單的介紹。三、六大膠粘理論聚合物之間，聚合物與非金屬或金屬之間，金屬與金屬和金屬與非金屬之間的膠接等都存在聚合物基料與不同材料之間界面膠接問(wèn)題。粘接是不同材料界面間接觸后相互作用的結(jié)果。因此，界面層的作用是膠粘科學(xué)中研究的基本問(wèn)題。諸如被粘物與粘料的界面張力、表面自由能、官能基團(tuán)性質(zhì)、界面間反應(yīng)等都影響膠接。膠接是綜合性強(qiáng)，影響因素復(fù)雜的一類(lèi)技術(shù)，而現(xiàn)有的膠接理論都是從某一方面出發(fā)來(lái)闡述其原理，所以至今全面唯一的理論是沒(méi)有的。1、吸附理論：人們把固體對(duì)膠黏劑的吸附看成是膠接主要原因的理論，稱(chēng)為膠接的吸附理論。理論認(rèn)為：粘接力的主要來(lái)源是粘接體系的分子作用

3、力，即范德化引力和氫鍵力。膠粘與被粘物表面的粘接力與吸附力具有某種相同的性質(zhì)。膠黏劑分子與被粘物表面分子的作用過(guò)程有兩個(gè)過(guò)程：第一階段是液體膠黏劑分子借助于布朗運(yùn)動(dòng)向被粘物表面擴(kuò)散，使兩界面的極性基團(tuán)或鏈節(jié)相互靠近，在此過(guò)程中，升溫、施加接觸壓力和降低膠黏劑粘度等都有利于布朗運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)。第二階段是吸附力的產(chǎn)生。當(dāng)膠黏劑與被粘物分子間的距離達(dá)到10-5Å時(shí)，界面分子之間便產(chǎn)生相互吸引力，使分子間的距離進(jìn)一步縮短到處于最大穩(wěn)定狀態(tài)。膠黏劑的極性太高，有時(shí)候會(huì)嚴(yán)重妨礙濕潤(rùn)過(guò)程的進(jìn)行而降低粘接力。分子間作用力是提供粘接力的因素，但不是唯一因素。在某些特殊情況下，其他因素也能起主導(dǎo)作

4、用。2、化學(xué)鍵形成理論:化學(xué)鍵理論認(rèn)為膠黏劑與被粘物分子之間除相互作用力外，有時(shí)還有化學(xué)鍵產(chǎn)生，例如硫化橡膠與鍍銅金屬的膠接界面、偶聯(lián)劑對(duì)膠接的作用、異氰酸酯對(duì)金屬與橡膠的膠接界面等的研究，均證明有化學(xué)鍵的生成?；瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度比范德化作用力高得多；化學(xué)鍵形成不僅可以提高粘附強(qiáng)度，還可以克服脫附使膠接接頭破壞的弊病。但化學(xué)鍵的形成并不普通，要形成化學(xué)鍵必須滿(mǎn)足一定的量子化件，所以不可能做到使膠黏劑與被粘物之間的接觸點(diǎn)都形成化學(xué)鍵。況且，單位粘附界面上化學(xué)鍵數(shù)要比分子間作用的數(shù)目少得多，因此粘附強(qiáng)度來(lái)自分子間的作用力是不可忽視的。3、弱界層理論：當(dāng)液體膠黏劑不能很好浸潤(rùn)被粘體表面時(shí)，空氣泡留在空隙中

5、而形成弱區(qū)。又如，當(dāng)中含雜質(zhì)能溶于熔融態(tài)膠黏劑，而不溶于固化后的膠黏劑時(shí)，會(huì)在固體化后的膠粘形成另一相，在被粘體與膠黏劑整體間產(chǎn)生弱界面層（WBL）。產(chǎn)生WBL除工藝因素外，在聚合物成網(wǎng)或熔體相互作用的成型過(guò)程中，膠黏劑與表面吸附等熱力學(xué)現(xiàn)象中產(chǎn)生界層結(jié)構(gòu)的不均勻性。不均勻性界面層就會(huì)有WBL出現(xiàn)。這種WBL的應(yīng)力松弛和裂紋的發(fā)展都會(huì)不同，因而極大地影響著材料和制品的整體性能。4、擴(kuò)散理論：兩種聚合物在具有相容性的前提下，當(dāng)它們相互緊密接觸時(shí)，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)或鏈段的擺產(chǎn)生相互擴(kuò)散現(xiàn)象。這種擴(kuò)散作用是穿越膠黏劑、被粘物的界面交織進(jìn)行的。擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致界面的消失和過(guò)渡區(qū)的產(chǎn)生。粘接體系借助擴(kuò)散

6、理論不能解釋聚合物材料與金屬、玻璃或其他硬體膠粘，因?yàn)榫酆衔锖茈y向這類(lèi)材料擴(kuò)散。5、靜電理論：當(dāng)膠黏劑和被粘物體系是一種電子的接受體-供給體的組合形式時(shí)，電子會(huì)從供給體（如金屬）轉(zhuǎn)移到接受體（如聚合物），在界面區(qū)兩側(cè)形成了雙電層從而產(chǎn)生了靜電引力。在干燥環(huán)境中從金屬表面快速剝離粘接膠層時(shí)，可用儀器或肉眼觀察到放電的光、聲現(xiàn)象，證實(shí)了靜電作用的存在。但靜電作用僅存在于能夠形成雙電層的粘接體系，因此不具有普遍性。此外，有些學(xué)者指出：雙電層中的電荷密度必須達(dá)到1021電子/厘米2時(shí)，靜電吸引力才能對(duì)膠接強(qiáng)度產(chǎn)生較明顯的影響。而雙電層棲移電荷產(chǎn)生密度的最大值只有1019電子/厘米2（有的認(rèn)為只有101

7、0-1011電子/厘米2）。因此，靜電力雖然確實(shí)存在于某些特殊的粘接體系，但決不是起主導(dǎo)作用的因素。6、機(jī)械作用力理論：從物理化學(xué)觀點(diǎn)看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。膠黏劑滲透到被粘物表面的縫隙或凹凸之處，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了嚙合力，這些情況類(lèi)似釘子與木材的接合或樹(shù)根植入泥土的作用。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力。在粘合多孔材料、紙張、織物等時(shí)，機(jī)構(gòu)連接力是很重要的，但對(duì)某些堅(jiān)實(shí)而光滑的表面，這種作用并不顯著。四、膠黏劑的粘結(jié)機(jī)理1、木材膠黏劑：由于木材的特殊構(gòu)造，其膠黏劑作用機(jī)理很簡(jiǎn)單就是依靠機(jī)械鑲嵌作用和分子間作用力發(fā)生粘接。但起主要作用的還是分子間的物理或化學(xué)作

8、用。從物理化學(xué)觀點(diǎn)看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一種方法。膠黏劑滲透到被粘物表面的縫隙或凹凸之處，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了嚙合力，這些情況類(lèi)似釘子與木材的接合或樹(shù)根植入泥土的作用。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力。在粘合多孔材料、紙張、織物等時(shí)，機(jī)構(gòu)連接力是很重要的，但對(duì)某些堅(jiān)實(shí)而光滑的表面，這種作用并不顯著。用于木材膠接和木制品制造的膠黏劑具有應(yīng)力均勻、接縫彌合、膠接強(qiáng)度高、耐水性好能簡(jiǎn)化制品結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)操作機(jī)械化和自動(dòng)化等特點(diǎn)。主要有皮膠、骨膠、酪素膠、聚醋酸乙烯酯膠黏劑、酚醛樹(shù)脂膠黏劑、脲醛樹(shù)脂膠粘劑、環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑和氯丁橡膠膠黏劑等。用于板材的拼接裝配和端面包邊；門(mén)窗家具的榫

9、孔膠接；地板、天棚及壁的內(nèi)部裝修；人造板、膠合板、夾心板、木塑復(fù)合板及木合金板等的制造；表面裝飾板的黏貼等。2、紙張膠黏劑：紙張的構(gòu)造是由纖維素構(gòu)成的，所以可以用能和纖維素發(fā)生化學(xué)作用的物質(zhì)作為膠黏劑。天然纖維素中含有大量的羥基，具醇羥基的特性，故能與涂層的表面羥基、羥甲基、異氰酸酯基、縮丁醛基、環(huán)氧基等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而完成粘合。紙張常用的膠粘劑有：水玻璃、淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)、天然膠乳類(lèi)；乙烯樹(shù)脂膠粘劑、合成膠乳膠粘劑、熱溶膠、膠粘帶和水再濕活化性膠粘劑。3、織物膠黏劑：纖維分為天然纖維和化學(xué)纖維。有機(jī)天然纖維：纖維素纖維（棉、麻等）和蛋白質(zhì)纖維（羊毛、蠶絲等）；化學(xué)纖維：無(wú)機(jī)化學(xué)

10、纖維（玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、金屬纖維等）和有機(jī)化學(xué)纖維：人造纖維（粘膠纖維、醋酸纖維等）和合成纖維（滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、維綸、氯綸等）。由于織物品種繁多，不同的織物有各自的粘接性能，在粘接之前必須知道織物為何種纖維，以便選用合適的膠粘劑。纖維復(fù)合材料的粘結(jié)作用分為（1）表面極性：表面極性越強(qiáng)的纖維材料，與膠粘劑形成氫鍵的能力越強(qiáng)。（2）表面反應(yīng)性：含活性基團(tuán)的纖維表面反應(yīng)性較強(qiáng)，粘合效果較好。這可以用吸附理論解釋?zhuān)豪碚撜J(rèn)為：粘接力的主要來(lái)源是粘接體系的分子作用力，即范德華力和氫鍵力。膠粘與被粘物表面的粘接力與吸附力具有某種相同的性質(zhì)。4、金屬膠黏劑：金屬表面張力很高,屬于高能表面,在

11、PU膠粘劑固化物中含有內(nèi)聚能較高的氨酯鍵和脲鍵,在一定條件下能在粘接面上聚集,形成高表面張力膠粘層一般來(lái)說(shuō),膠粘劑中異氰酸酯或其衍生物百分含量越高,膠粘層的表面張力越大,膠越堅(jiān)韌,能與金屬等基材很好地匹配,粘接強(qiáng)度一般較高金屬表面一般存在著吸附水(即使經(jīng)過(guò)打磨處理的金屬表面也存在微量的吸附水或金屬氧化物水合物),含有一NCO的基團(tuán)與水反應(yīng)生成脲鍵與金屬氧化物之間由于氫鍵而螯合形成酰脲金屬氧化物絡(luò)合物,一NCO基團(tuán)還能與金屬水合物形成共價(jià)鍵等在無(wú)一NCO場(chǎng)合,金屬表面水合物及金屬原子與氨酯鍵及脲鍵之間產(chǎn)生范德華力和氫鍵,并且以TDIMDI為基礎(chǔ)的聚氨酯膠粘劑含苯環(huán),具有冗電子體系,能與金屬形成配

12、價(jià)鍵金屬表面成分較為復(fù)雜,與PU膠之間形成的各種化學(xué)鍵或次價(jià)鍵(如氫鍵)的類(lèi)型也很復(fù)雜5、玻璃膠黏劑：玻璃是無(wú)定形固體，為非化學(xué)計(jì)量化合物。一般為硅酸鹽，有時(shí)是由硼酸鹽或磷酸鹽等混合物組成。玻璃的表面組成與其本體組成差異大，粘接時(shí)要根據(jù)具體情況分析，采取不同的表面處理方法；表面能較高，吸附水膜后對(duì)粘接影響較大，須經(jīng)表面處理，選擇膠粘劑時(shí)必須要考慮到玻璃的特性。玻璃石板陶瓷等無(wú)機(jī)材料表面也含吸附水羥基,粘接機(jī)理大致與金屬相同o6、塑料膠黏劑：PVCPETFRP等塑料表面的極性基團(tuán)能與膠粘劑中的氨酯鍵酯鍵醚鍵等基團(tuán)形成氫鍵,形成有一定粘接強(qiáng)度的接頭有人認(rèn)為玻纖增強(qiáng)塑料(FRP)中含一OH基團(tuán),其中表面的一OH與PU膠粘劑中的一NCO反應(yīng)形成化學(xué)粘接力非極性塑料如PEPP,其表面很低,用極性的聚氨酯膠粘劑