第二章 粘接原理与粘接技术

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粘
接
主讲： 主讲：赵 鑫 苏州科技学院
剂
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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
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§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
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§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：
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§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0.2-5N·m-1. 聚合物固体、有机物、胶粘剂、水等，表面 张力较小，一半小于0.1N·m-1.
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§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。
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§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。
●
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§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： ①界面上发生吸附作用而产生分子间力。 ②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 。
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§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）。
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§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： ①胶液与被粘材料表面可形成良好的润湿。 ②粘合剂必须具有流动性以便充分接触和渗透； ③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。
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§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：
●
γ sl
γl
θ
γs
γ 显然：γ s越大， l 越小，则θ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。
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θ = 0o 铺展 γ s ?γ sl ? γ s = γ sl +γ l cosθ ?cosθ = ? ? 0 <θ ≤ 90o 湿润 γl ?θ > 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。
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§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。
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§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
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70℃/30min
50℃/10min
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§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）
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§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。
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§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。
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§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。
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§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）。
●
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§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。
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§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。
●
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§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
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§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
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。
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§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)
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1/ 2
=δ =
∑G M
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ρ
§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。
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§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。
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§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。
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§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。
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§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。
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§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
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§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。
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§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
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剥离力
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§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）
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界面破坏 （少）
混合破坏 （多)
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§2.6 粘接接头的设计
四、接头的设计原则 ①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； ②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； ③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。 ④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。 ⑤承受作用力较大的情况，可采用复接方式。
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§2.6 粘接接头的设计
⑥接头结构设计应方便粘接工艺的实施。 ⑦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 套接方式。 ⑧接头结构应便于使胶层连续均匀。 ⑨接头结构设计应考虑与其他零件的关系，要 方便装配维修。 ⑩接头结构设计应制造容易，美观大方。
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§2.6 粘接接头的设计
粘接接头的基本形式、 五、粘接接头的基本形式、设计与分析 1、粘接接头的四种基本形式： 、粘接接头的四种基本形式：
对接
角接
T接 T
平接
2、平板粘接接头的设计 、 对接：
纯粹对接，粘接面积小，粘接强度低，应尽量不使用， 除非维修无法改变原形状。 但受力较大时，常需采用改形对接：台阶对接、单盖对 接、双盖对接等。
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§2.6 粘接接头的设计
对接
搭接
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§2.6 粘接接头的设计
斜接和嵌接
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§2.6 粘接接头的设计
3、角形和 形粘接接头的设计 、角形和T形粘接接头的设计
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§2.6 粘接接头的设计
4、管材和棒材粘接接头的设计 、
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§2.6 粘接接头的设计
4、平面胶接接头的设计 、
5、不同类型被粘物的接头设计 、 两种被粘物的刚性不同，

应调节厚度使两种材料的刚性 相近； 两种被粘物的热胀系数大时，应使用弹性胶粘剂，并尽 量使用双搭接接头和双斜接头。
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第二章 粘接原理与粘接技术
作 业
1、张力小的液体物质可很好的湿润表面张力 大的物质，反之则不行，为什么？ 2、PP、PTFE均属难粘材料，粘接前应如何进 行表面活化处理？ 3、粘接接头有哪几种基本形式？简述粘接接 头设计的基本原则。
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