影響粘接強度的三個物理因素介紹

粘接強度的好壞除了受黏料的組成結構及有關的物理力學性能影響外，還與一些物理因素有關，這些因素中主要有被粘物表面光滑情況、界面狀況、應力分布等。這些因素雖不屬于產生粘接力的基本物理化學過程，但它們的影響是不可忽視的，有時甚至是決定性的。

    (1)粗糙度和表面形態

    被粘物表面的粗糙程度是產生機械粘接力的源泉，在浸潤性好(θ<90°)的情況下膠黏劑在粗糙表面的浸潤性比在光滑表面上好。在浸潤性不好(θ>90°)時膠黏劑在粗糙表面上的浸潤性能低于在光滑表面上的浸潤性能。在θ＝90°時則膠黏劑對兩種表面的浸潤性相等。因此，在對被粘物表面進行糙化處理時，須注意所用膠液對該表面的浸潤情況，浸潤性不好就不適宜進行糙化處理。另外，糙化能增大粘接強度的原因是增大了接觸面積，但糙化過度易滯留空氣，有損浸潤作用而不利于粘接強度。除了粗糙度以外，被粘表面的污染情況對粘接強度的影響也很大，它們不利于膠液的浸潤作用，常使粘接失敗。

    (2)弱界面層

    當膠黏劑與被粘物之間的粘接力主要來源于分子間力的作用，而膠黏劑和被粘物中存在相容性差，易遷移(向界面)的低分子量雜質，并且這種低分子量雜質對被粘接物表面的吸附力比對膠黏劑強時，界面間的作用力就會削弱，即產生了弱界面層。這種弱界面層的存在常使接頭在此處脫開而使粘接失敗。加強靜電引力，去掉有害的低分子雜質，增大交聯程度，引入化學鍵合或使用偶聯劑等方法可以減小或去掉弱界面層，加強粘接作用。

    用聚乙烯作為膠黏劑對鋁進行試驗，其粘接強度僅相當于聚乙烯本身拉伸強度的百分之幾。但如除去聚乙烯的含氧雜質或低分子物，其粘接強度就高得多。如把含氧雜質如油酸量加大到0.1%時，粘接強度顯著下降。如油酸量達到1%，則完全失去粘接強度。

    吸附理論認為，產生弱界面層的過程實際上是低分子物質解吸界面區膠黏劑分子的過程。為此，通過化學吸附或通過靜電力、擴散作用產生粘接力的接頭不會有弱界面層。

    雖然弱界面層的產生主要來源于小分子雜質的存在，但在膠黏劑或被粘物中含有低分子物不一定產生弱界面層。如環氧樹脂或聚氯乙烯中加入適當的增塑劑時，非但不會降低強度，而且改善了粘接性能。這是因為增塑劑與環氧樹脂等有良好的混溶性，不會析出和集中到界面區形成弱界面層。

    (3)內應力

    單位截面上附加的力為應力，接頭在未受到外力作用時內部所具有的應力為內應力。在膠層固化時因體積收縮而產生的內應力為收縮應力；膠層與被粘物之間由于膨脹系數不同，在溫度變化時產生的應力為熱應力。這是膠層內應力的兩個主要來源，前者具有永久性，后者為暫時性的，即在溫度回原后熱應力也隨之消失。粘接接頭中存在內應力將導致強度大大下降，甚至會造成接頭自動破裂。

    膠黏劑不管用什么方法固化，都難免發生一定的體積收縮。如果在失去流動性之后體積還沒有達到平衡值，進-步固化就會產生收縮應力。

    熱熔膠的固化也伴隨著嚴重的體積收縮，熔融聚苯乙烯冷卻至室溫體積收縮率為5%，而具有結晶性的聚乙烯從熔融狀態冷卻至室溫體積收縮率高達14%。

    通過化學反應來固化的膠黏劑，體積收縮率分布在一個較寬的范圍內。縮聚反應體積收縮很嚴重，因為縮聚時反應物分子中有-部分變成小分子逸出，例如酚醛樹脂固化時放出水分子，因此其固化過程中收縮率比環氧樹脂大很多。

    烯類單體或預聚體的雙鍵發生加聚反應時，體積收縮率也比較大。例如不飽和聚酯固化體積收縮率高達10%。環氧樹脂固化過程中體積收縮率比較低，這是環氧膠黏劑有很高的粘接強度的重要原因。

    由于收縮應力來源于膠黏劑固化至失去流動性之后進-步固化所產生的那部分體積收縮，所以對熱固性膠黏劑來說，反應物的官能度愈高，發生凝膠化時官能團的反應程度就愈低，固化之后將會產生較高的內應力。這可能是高官能度的環氧化酚醛樹脂膠黏劑的粘接強度要比雙酚A型環氧樹脂膠黏劑低的原因之-。

    降低固化過程中的體積收縮率對于熱固性樹脂的許多應用都有十分重要的意義，降低活性官能團濃度，利用聚合物增韌劑，加入惰性填料均能降低固化時的體積收縮。

    熱膨脹系數不同的材料被粘接在-起，溫度變化會在界面中造成熱應力。熱應力的大小正比于溫度的變化、膠黏劑與被粘物膨脹系數的差別以及材料的彈性模量。

    粘接兩種膨脹系數相差很大的材料時熱應力的影響尤其明顯。例如用環氧樹脂把1cmX 3cmX 20cm的硬鋁和-種同樣大小的陶瓷塊粘接在-起，固化溫度是120℃，在冷卻至室溫后，粘接件自動開裂。為了避免熱應力，可選擇比較低的固化溫度，例如采用室溫固化的環氧-聚酰胺膠黏劑就能得到滿意的粘接強度。采用模量低、伸長率高的膠黏劑或適當提高膠層厚度可使熱應力能通過膠黏劑的變形釋放出來。

    內應力的產生除了與固化時的體積收縮及膠層各組分的線膨脹系數差別等有關外，還與膠層的老化過程密切相關。在熱老化過程中，由于熱氧的作用和揮發性物質的逸出，會使膠層進-步收縮。相反，在潮濕環境中由于膠層的吸濕會造成膠層膨脹。因此在老化過程中接頭的內應力也在不斷地變化著，還可能加速老化的進程。

    厚的膠層往往存在較多的缺陷，因此，一般來說膠層厚度減少，粘接強度升高。當然，膠層過薄也會引起缺陷而降低粘接強度。不同的膠黏劑或同種膠黏劑使用目的不同，要求膠層厚度也不同，大多數合成膠黏劑以0.05-0.1mm厚為宜，無機膠黏劑以0.1-0.2mm為宜。

    膠層厚度也與接頭所承受的應力類型有關。單純的拉伸、壓縮或剪切，膠層越薄，強度越大。膠層厚時剝離強度會適當提高；對于沖擊負荷，彈性模量小的膠黏劑，膠層厚則抗沖擊強度高；而對彈性模量大的膠黏劑，沖擊強度與膠層厚度無關。

隨著使用時間增長，常因黏料的老化而降低粘接強度。膠層的老化與膠黏劑的物理化學變化、使用時的受力情況及使用的環境有關。冷熱變更將引起接頭中內應力變更，使粘接強度下降，干濕交替使極性黏料構成的膠層脫膠，光、熱、氧、水等可使膠層老化。