影響膠粘劑粘接物理強(qiáng)度的物理因素
1.表面粗糙度
當(dāng)膠粘劑良好地浸潤被粘材料表面時(shí)(接觸角θ<90°),表面的粗糙化有利于提高膠粘劑液體對(duì)表面的浸潤程度,增加膠粘劑與被粘材料的接觸點(diǎn)密度,從而有利于提高粘接強(qiáng)度。反之,當(dāng)膠粘劑對(duì)被粘材料浸潤不良時(shí)(θ>90°),表面的粗糙化就不利于粘接強(qiáng)度的提高。
2.表面處理
粘接前的表面處理是粘接成功的關(guān)鍵,其目的是能獲得牢固耐久的接頭。由于被粘材料存在氧化層(如銹蝕)、鍍鉻層、磷化層、脫模劑等形成的“弱邊界層”,被粘物的表面處理將影響粘接強(qiáng)度。例如,聚乙烯表面可用熱鉻酸氧化處理而改善粘接強(qiáng)度,加熱到70-80℃時(shí)處理1-5分鐘,就會(huì)得到良好的可粘接表面,這種方法適用于聚乙烯板、厚壁管等。而聚乙烯薄膜用鉻酸處理時(shí),只能在常溫下進(jìn)行。如在上述溫度下進(jìn)行,則薄膜的表面處理,采用等離子或微火焰處理。
對(duì)天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠表面用濃硫酸處理時(shí),希望橡膠表面輕度氧化,故在涂酸后較短的時(shí)間,就要將硫酸徹底洗掉。過度的氧化反而在橡膠表面留下更多的脆弱結(jié)構(gòu),不利于粘接。
對(duì)硫化橡膠表面局部粘接時(shí),表面處理除去脫膜劑,不宜采用大量溶劑洗滌,以免不脫膜劑擴(kuò)散到處理面上妨礙粘接。
鋁及鋁合金的表面處理,希望鋁表面生成氧化鋁結(jié)晶,而自然氧化的鋁表面是十分不規(guī)則的、相當(dāng)疏松的氧化鋁層,不利于粘接。所以,需要除去自然氧化鋁層。但過度的氧化會(huì)在粘接接頭中留下薄弱層。
3.滲透
已粘接的接頭,受環(huán)境氣氛的作用,常常被滲進(jìn)一些其他低分子。例如,接頭在潮濕環(huán)境或水下,水分子滲透入膠層;聚合物膠層在有機(jī)溶劑中,溶劑分子滲透入聚合物中。低分子的透入首先使膠層變形,然后進(jìn)入膠層與被粘物界面。使膠層強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致粘接的破壞?
滲透不僅從膠層邊沿開始,對(duì)于多孔性被粘物,低分子物還可以從被粘物的空隙?毛細(xì)管或裂縫中滲透到被粘物中,進(jìn)而侵入到界面上,使接頭出現(xiàn)缺陷乃至破壞?滲透不僅會(huì)導(dǎo)致接頭的物理性能下降,而且由于低分子物的滲透使界面發(fā)生化學(xué)變化,生成不利于粘接的銹蝕區(qū),使粘接完全失效?
4.遷移
含有增塑劑被粘材料,由于這些小分子物與聚合物大分子的相容性較差,容易從聚合物表層或界面上遷移出來。遷移出的小分子若聚集在界面上就會(huì)妨礙膠粘劑與被粘材料的粘接,造成粘接失效。
5.壓力
在粘接時(shí),向粘接面施以壓力,使膠粘劑更容易充滿被粘體表面上的坑洞,甚至流入深孔和毛細(xì)管中,減少粘接缺陷。對(duì)于黏度較小的膠粘劑,加壓時(shí)會(huì)過度地流淌,造成缺膠。因此,應(yīng)待粘度較大時(shí)再施加壓力,也促使被粘體表面上的氣體逸出,減少粘接區(qū)的氣孔。
對(duì)于較稠的或固體的膠粘劑,在粘接時(shí)施加壓力是必不可少的手段。在這種情況下,常常需要適當(dāng)?shù)厣邷囟?,以降低膠粘劑的稠度或使膠粘劑液化。例如,絕緣層壓板的制造、飛機(jī)旋翼的成型都是在加熱加壓下進(jìn)行。
為了獲得較高的粘接強(qiáng)度,對(duì)不同的膠粘劑應(yīng)考慮施以不同的壓力。一般對(duì)固體或高黏度的膠粘劑施高的壓力,而對(duì)低黏度的膠粘劑施低的壓力?
6.膠層厚度
較厚的膠層易產(chǎn)生氣泡、缺陷和早期斷裂,因此應(yīng)使膠層盡可能薄一些,以獲得較高的粘接強(qiáng)度。另外,厚膠層在受熱后的熱膨脹在界面區(qū)所造成的熱應(yīng)力也較大,更容易引起接頭破壞。
在實(shí)際的接頭上作用的應(yīng)力是復(fù)雜的,包括剪切應(yīng)力?剝離應(yīng)力和交變應(yīng)力?
(1)切應(yīng)力:由于偏心的張力作用,在粘接端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中,除剪切力外,還存在著與界面方向一致的拉伸力和與界面方向垂直的撕裂力。此時(shí),接頭在剪切應(yīng)力作用下,被粘物的厚度越大,接頭的強(qiáng)度則越大。
(2)剝離應(yīng)力:被粘物為軟質(zhì)材料時(shí),將發(fā)生剝離應(yīng)力的作用。這時(shí),在界面上有拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用,力集中于膠粘劑與被粘物的粘接界面上,因此接頭很容易破壞。由于剝離應(yīng)力的破壞性很大,在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免采用會(huì)產(chǎn)生剝離應(yīng)力的接頭方式。
(3)交變應(yīng)力:在接頭上膠粘劑因交變應(yīng)力而逐漸疲勞,在遠(yuǎn)低于靜應(yīng)力值的條件下破壞。強(qiáng)韌的、彈性的膠粘劑(如某些橡膠態(tài)膠粘劑)耐疲性能良好。
7.內(nèi)應(yīng)力
(1)收縮應(yīng)力:當(dāng)膠粘劑固化時(shí),因揮發(fā)、冷卻和化學(xué)反應(yīng)而體積發(fā)生收縮,引起收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮力超過粘附力時(shí),表觀粘接強(qiáng)度就要顯著降。此外,粘接端部或膠粘劑的空隙周圍應(yīng)力分布不均勻,也產(chǎn)生應(yīng)力集中,增加了裂口出現(xiàn)的可能。有結(jié)晶性的膠粘劑在固化時(shí),因結(jié)晶而使體積收縮較大,也造成接頭的內(nèi)應(yīng)力。如在其中加入一定量能結(jié)晶或改變結(jié)晶大小的橡膠態(tài)物質(zhì),那么就可以減少內(nèi)應(yīng)力。在熱固性樹脂膠中加增韌劑是一個(gè)最好的說明。例如酚醛-縮醛膠,當(dāng)縮醛含量低于40%時(shí),接頭發(fā)生單純界面破壞;而在40%以上時(shí)則為內(nèi)聚破壞,粘接強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。
(2)熱應(yīng)力:在高溫下,熔融的樹脂冷卻固化時(shí),會(huì)產(chǎn)生體積收縮,在界面上由于粘接的約束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在分子鏈間有滑移的可能性時(shí),則產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消失。
影響熱應(yīng)力的主要因素有熱膨脹系數(shù)、室溫和Tg間的溫差以及彈性差量?
為了緩和因熱膨脹系數(shù)差而引起的熱應(yīng)力,應(yīng)使膠粘劑的熱膨脹系數(shù)接近于被粘物的熱膨脹系數(shù),加填料是一種好辦法,可添加該種材料的粉末或其化材料的纖維或粉末
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