胶黏剂的粘接强度及影响因素

胶黏剂的粘接强度及影响因素

胶黏剂的应用范围十分广泛，其本质特性主要体现在通过机械锚固、吸附等不同方式完成粘接作用，故而，所有具备这种粘接能力的物质都可以被认定为黏合剂。多种黏合剂具备了跨越不同材料进行粘合的强大功能，其中，橡胶类黏合剂能将众多不同材质连接起来，而环氧树脂胶黏剂则因其几乎无所不能的特性而闻名遐迩。它几乎可以与所有物质实现牢固的粘合，除了极少数非极性材料以及某些特定的塑料（例如聚乙烯和聚四氟乙烯）之外。

然而，在实际应用中，若想实现最佳的粘接效果，需保证胶黏剂与被粘接物间的物理与化学作用力均达到理想状态。粘接强度的形成受到众多因素的显著影响。具体来说，粘接强度指的是单位粘接面积所能承受的粘接力，它包括胶层自身的内聚强度以及胶层与被粘接面之间的粘附强度。这种强度的程度与胶黏剂的化学成分、基料的结构特点及其性质、被粘接材料的物理特性和表面属性紧密相关，同时还受到应用过程中操作技巧和条件等多种因素的影响。

胶黏剂基料的物理力学性能

合成胶黏剂的基础往往是由合成高分子化合物构成，这些化合物在结构上呈现出丰富的多样性，大致可以分为热塑性材料和热固性材料两大类。在热塑性高分子这一类别中，还可以根据分子排列的有序程度进一步划分为晶态和玻璃态两种不同的形态。这种复杂的组成和结构上的差异，对合成胶黏剂的物理力学性能产生了重大的影响。各种类型的高分子基料，为胶黏剂带来了独特的粘附力、强度、耐高温和耐低温等特性。鉴于此，在设计和挑选合成胶黏剂的过程中，对基料的高分子种类及其结构特性的深入了解显得尤为关键。

影响粘接强度的物理因素

粘接作业中，存在一种现象，即某些特定的表层会削弱粘接性能，进而降低粘接强度，这类表层我们称作弱界面层。这种现象并不仅限于聚合物材料，纤维、金属等不同材料的表面也可能出现类似情况。弱界面层的产生，是由于胶黏剂、被粘物和环境因素三者之间，或者其中两者之间的复杂相互作用所导致的。杂质若在粘接界域周边累积，并且与粘接材料结合不够牢固，便有可能产生这种薄弱的层状结构。故而在粘接出现故障时，尽管表面上看起来问题似乎出现在胶粘剂与粘接材料的交界面，但实际上，往往是这种薄弱层状结构首先遭受破坏。

胶黏剂黏度的核心功能在于：它能够使胶黏剂与被粘物表面实现有效的渗透和附着，这一现象的实质是两种物质的分子相互作用，直至达到能量最低的稳定状态。要实现这一过程，两种物质的分子间距必须足够近，一般而言，这个间距应小于5×10^-8厘米。然而，鉴于固体表面难以实现绝对平滑，胶黏剂必须依靠流动或变形的方式，深入到被粘物表面的细微空隙和裂缝之中，并在此过程中将空气排出，确保能够实现全面的浸润。在此过程中，胶黏剂的黏度扮演着至关重要的角色：黏度较低意味着流动性更强，有利于浸润作用的顺利进行；而面对黏度较高的胶黏剂，可能需要采取加热、加压等辅助措施，以提升其浸润性能。

被粘物表面的处理至关紧要，因为所有物质表面都具备一定的吸附特性。为了实现最佳的粘接效果，这一步骤显得尤为关键。被粘物表面的特性对粘接强度具有决定性影响，而表面状况不佳往往是导致粘接接头失效的根本原因。合理的表面处理手段能够显著增强金属及类似材料的粘接性能，尤其是对铝合金等特定材质，其抗剪切能力甚至可以增加至原来的25%至70%。鉴于此，对粘接物体的表面处理技术进行优化，是确保粘接效果优良及持久性的核心步骤。

粘接件内部的应力分析涉及以下两点：首先，胶粘剂在固化阶段体积缩小导致的收缩应力；其次，胶粘剂与粘接材料的热膨胀系数不一致，在温度波动时会产生热应力。这些内应力不仅会明显削弱粘接的强度，而且在某些极端情况下，还可能引起粘接的自行破坏。粘接接头内部的单位截面上，内应力作为一种附加的力，即便在没有外力作用的情况下，也已经存在。这种应力中，收缩应力是由于固化过程中体积变化而产生的，而热应力则是随着温度的波动而变化，它具有暂时性特征。

粘接件的内应力与它的老化阶段密切相关。在热老化阶段，热氧反应和挥发性成分的释放会促使胶黏剂层收缩；而另一方面，在潮湿的环境中，胶黏剂吸收水分会导致胶层膨胀，这进而会加剧对内应力分布的影响。值得注意的是，内应力的存在可能加速粘接件的老化速度，尤其是环氧胶黏剂和聚氨酯胶黏剂，即便是很小的外部负荷，也能明显加剧其湿热老化过程。

在采用各种固化手段时，胶黏剂多少都会出现一定量的体积缩减。如果固化阶段体积未能实现均衡，后续固化过程可能会产生内部应力。尤其是溶液型胶黏剂，由于固体成分较少，固化时体积缩减现象更为明显。此外粘接剂强度，在熔融态聚合物冷却阶段，体积的变化也不应被忽视，例如聚苯乙烯和聚乙烯的收缩率分别可以达到5%和14%。胶黏剂在化学反应中固化时，其体积的缩小程度会随着反应种类的不同而有所区别；在缩聚反应中，这种收缩现象尤为显著，主要是因为反应物分子中的一部分转化成了小分子并逸出；而相对而言，开环聚合由于分子间距离变化不大，体积的收缩程度则较为轻微。

热固性胶黏剂在凝胶化阶段，分子活动受到限制，尤其是进入玻璃化阶段后，这种限制更为明显。因此，凝胶化后的固化过程，便成为了产生收缩应力的主要因素。在高官能度胶黏剂体系中胶黏剂的粘接强度及影响因素胶黏剂的粘接强度及影响因素，固化后通常会形成更高的内应力粘接剂强度，这可能会对其粘接性能造成影响。例如，环氧化酚醛树脂胶黏剂与双酚A型环氧树脂胶黏剂相比，其粘接强度就相对较低。

因此，在热固性树脂的使用过程中，控制固化阶段体积的减少程度显得尤为重要。这一目标往往能够通过调整材料配方、改善固化条件以及引入特定的添加剂等多种途径达成。

优化策略以减轻胶黏剂内应力：

减少官能团密度：为了在固化阶段减小体积缩减，进而减轻收缩应力，可以采取的一种策略是减少反应体系中官能团的密度。这一目标可以通过进行共聚反应或者提升预聚体的分子量来达成。比如，对于双酚A型环氧树脂胶黏剂而言，其粘接性能与树脂的分子量有着密切联系；随着分子量的增大，其剪切强度也会相应增强。因此，通过调整反应的条件，降低官能团的密度，可以在一定程度上实现对收缩应力的控制。采用增韧剂的方法之一，是引入能够溶解于树脂预聚体中的高分子聚合物。在固化阶段，树脂分子量提升的同时，增韧剂会逐步分离出来。这种相分离带来的体积膨胀，可以部分抵消固化过程中产生的体积收缩粘接剂强度，进而减轻内部应力。在未饱和聚酯材料中掺入聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩醛或聚酯等热塑性高分子，可以有效减少固化过程中的收缩。同时，适量加入无机填料，也是减轻收缩应力的有效途径。无机填料不参与化学反应，因此可以按比例减少固化过程中的体积缩小。无机填料不仅可以减少胶黏剂的热膨胀率，还能增强其弹性，这在某些特定条件下能显著增强胶黏剂的稳固性。然而，必须留意填料的添加量，确保其处于适宜的范畴，以免对胶黏剂的性能造成负面影响。

固化阶段体积减小及内部应力：无论是溶剂型、热熔型还是依赖化学反应实现固化的胶粘剂，在固化阶段都会出现体积的减小。尤其是当胶粘剂丧失流动性而体积尚未稳定时，继续固化会引发明显的体积减小，进而造成内部应力。对于溶剂型胶粘剂来说，当溶剂蒸发导致胶层失去变形能力时，内部应力尤为突出。在冷却阶段，热熔胶黏剂也表现出明显的体积缩减现象。不同类型的化学反应固化胶黏剂，其体积缩减的程度因反应机理的不同而呈现出差异。以环氧树脂为例，由于开环聚合过程中原子间距离的变化较小，其体积缩减率相对较小；而不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等，由于化学反应中原子重排及小分子副产物的释放，导致体积缩减率较高。