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粘接件之间的几种作用力的介绍

发布时间:2018-07-05 12:04点击量:0

胶黏剂与被粘物之间的界面相互作用的力称粘接力,粘接力的又称主价键力,存在于原子(或离子)之间,有离子键、共价键及金属键三种不同形式,离子键力是正离子和负离子之间的相互作用力,离子键力与正负离子所带电荷的乘积成正比,与正负离子之间距离的乎方成反比。共价键力即两个原子之间通过共用电子对连接的作用力,共价键能等于共价键力与形成共价键的两原子间距离的乘积。金属键力是金属正离子之间由于电子的自由运动而产生的连接力,与粘接过程关系不大。

胶黏剂与被粘物之间,如能引入化学键连接,其粘接强度将有显著提高。例如聚氨酯胶黏剂粘橡胶、纤维等物质可能发生化学反应而增大粘接强度。

分子间力又称次价键力,有取向力、诱导力、色散力(以上诸力合称范德华力,和氢键力几种形式。取向力即极性分子永久偶极之间产生的引力,与分子的偶极矩的平方成正比,与两分子距离的六次方成反比。分子的极性越大,分子之间距离越近,产生的取向力就越大;温度越高,分子的取向力越弱。

诱导力是分子固有偶极和诱导偶极之间的静电引力。极性分子和非极性分子相互靠近时,极性分子使非极性分子产生诱导偶极,极性分子之间,也能产生诱导偶极。诱导力与极性分子偶极矩的乎方成正比,与被诱导分子的变形程度成正比,与两分子间距离的六次方成反比,与温度无关。

由于电子是处于不断运动之中,正负电荷中心瞬间的不重合作用(色散作用,产生的瞬时偶极诱导邻近分子产生瞬时诱导偶极,这种偶极间形成的作用力称色散力。低分子物质的色散力较弱,色散力与分子间距离的六次方成反比,与环境温度无关。因色散作用具有加和性,故高分子物质的色散力相当可观。非极性高分子物质中,色散力占全部分子作用力的80%-100%。

氢键作用产生的力称氢键力。当氢原子与电负性大的原子X形成共价化合物HX时,HX分子中的氢原子吸引邻近另一个HX分子中的X原子而形成氢键。

X原子的电负性越大氢键力也越大,X原子的半径越小氢键力越大。纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、蛋白质、聚乙烯醇等高分子物质都能产生氢键作用。氢键力有饱和性和方向性,比主价键力小得多,但大于范德华力。

界面静电引力

当金属与非金属材料(例如高分子胶黏剂)密切接触时,金属容易失去电子,非金属容易得到电子,使界面两侧产生接触电势,并形成双电层而产生静电引力。

除了金属-非金属相互接触能够形成双电层外,一切具有电子供受体性质的两种物质接触时,都可能产生界面静电引力。


机械作用力

从物理化学的观点看,机械作用并不是产生粘接力的因素,而是增加粘接效果的-种方法。胶黏剂充满被粘物表面的缝隙或凹凸之处,固化后在界面区产生了啮合力。机械连接力的本质是摩擦力,在粘接多孔材料、织物及纸等时是很重要的。

在各种产生粘接力的因素中,只有分子间作用力普遍存在于所有粘接体系,其他作用仅在特殊情况下成为粘接力的来源。

粘接过程的界面化学

要想形成完美的密封或粘接,液体胶黏剂与固体被粘件之间必须形成完好的浸润,而这种浸润情况与胶黏剂的组成、性能、被粘件的结构与性质,胶黏剂与被粘件间的相互作用密切相关,也就是说二者之间的界面张力的影响是极为重要的。

表面张力与界面张力

液体的表面张力是作用于液体表面单位长度上使表面收缩的力。从图可看出表面张力为液面的分子受液体内部分子吸引的结果。其大小与液体的性质(分子间力)、纯度、温度等有关。其作用的结果是液体总是倾向于尽可能缩小表面积(或者说体积),这就是空气中的小液滴是球状的原因。实际上液体表面的分子并非只受到内部分子的作用,也受到外部分子的作用,这个外部分子是气体分子,它的作用很弱,与内部分子的吸力相比可以忽略不计。图1-1(b)表示两种液体互相接触的情况。此时各液滴表面所受外部分子的作用是来自液体。在两种液体的分子结构、性质相差很大时,二者表面之间的作用力比各自内部对表面的作用力小得多,其结果是这两种液滴不能互相浸润,反之则易于浸润甚至溶为-体。这两种液体分子各自受到内部引力与相互之间的引力,此两种力的合力称为界面张力(γLL)。按此定义人们常说的表面张力(γL)实则为液体与气体间的界面张力(γLV)。

界面张力与浸润

从热力学角度提出的单位面积表面区的自由能数值与表面张力相等,缩小表面积能导致自由能下降,故缩小表面是一个自动进行的过程。

固体具有一定形状,其表面不能收缩,因此,它没有表面张力而只有表面自由能γs。在讨论寸有时称γs为固体的表面张力。

液体与固体表面接触时,处于界面区的两种分子在朝向各相内部方向受到同种分子的吸引作用。在朝向界面方向,受到来自界面分子力的吸引作用。此两种吸引力的合力称为界面张力为γSL。低表面能固体,其吸引力低于液体相分子的吸引力,则界面区的液体分子有一种向液体内部收缩的张力,这就是非浸润态。高表面能固体,则界面区液体分子有一种被吸附于固体的压力,这就是浸润状态。浸润程度可用液体与固体接触面的接触角θ表示(见图1-2)。θ值越小,说明浸润状态越好,θ<90°为浸润状态,θ>90°为不浸润状态,θ=0°时为完全浸润状态。

为了便于讨论,可将胶黏剂当成一种液体,被粘物当成固体。当胶黏剂被涂于被粘物表面且达到受力平衡时,其表面张力、界面张力和液体在固体表面的接触角的相互关系为:从以上关系或可以看出,为了增强浸润、降低θ,必须设法增大γS、减小γL,也就是说,表面张力小的物质能很好地浸润表面张力大的物质,反之则不行。例如水的表面张力比油大得多,所以油能很好地铺在水(或冰)上,而水却不能很好地铺在油(或石蜡)上。金属、无机盐等的表面张力都很大,很容易被胶黏剂浸润,塑料的表面张力一般与胶黏剂相近,浸润程度差。有些表面张力很小(如聚四氟乙烯、聚甲基硅氧烷等)的材料,很难浸润,不进行特殊处理,无法实现粘接。值得特别注意的是表面张力很大的物质,虽然很易被胶黏剂浸润,但在粘接之前却很易被油类污染。显然在对表面张力很小的物件进行粘按时,在胶液中适当加入一些表面活性剂也是有益的。

选自肖卫东《粘接实践200例》


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