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更新時間: 2013-09-04

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兩個物質表面依靠化學力、物理力或二者兼有的力使之結合在一起的狀態。

 

 

粘接 -定義

兩個物質表面依靠化學力、物理力或二者兼有的力使之結合在一起的狀態。

粘接 -粘接過程的要求

膠粘劑粘接的條件對選擇正確的膠粘劑同樣是重要的判據。
在工廠或裝配線生產中,確定的裝配環境可能限制粘接產品對膠粘劑的選擇。這時所考慮的膠粘劑的操作性能往往可能摒棄用戶的潛在興趣。與粘接過程相牽連的典型因素包括:
1、膠粘劑的形態;
2、膠粘劑的製備和應用方法;
3、膠粘劑的儲存期;
4、膠粘劑的適用期;
5、使用膠粘必須的手段或設備;
6、粘接過程的可變性;
7、塗膠和粘接(疊合)之間允許的時間;
8、膠層乾燥的時間和溫度;
9、膠層的固化溫度和使用溫度;
10、不同溫度下粘接強度的變化率;
11、特殊要求和預防措施,如氣味、易燃性和毒性等等。
在這裡只討論上述典型因素中的幾個:
施於工件的膠粘劑的挑選方法,除了決定於膠粘劑的物理性質外,還決定於零件的大小和形狀,被塗組成件的數目及零件的尺寸。
膠粘劑的形態從稀薄液體狀至膏狀和固體狀。但對不同形態,要採用不同的使用手段。例如:對稀薄液體狀就噴塗、刷塗或滾塗;而對膏狀膠粘劑,則使用塗膠機或刮刀式塗膠機。
對被粘體來說,膠粘劑的粘接性通常是重要的。對已塗布膠液將要裝配的零件,釘著性或粘接性起決定作用。在裝配時,粘著時間範圍決定粘合件塗覆和裝配之間的時間間隔。因此粘著性質將決定膠粘劑必須的使用條件(即膠粘劑的形態、傳質速率、混合時間以及應用方法)。與熱塑性膠粘劑相反,熱固型膠粘劑的粘著性通常較小。粘著性變化很大,這依賴於膠粘劑分子的結構和聚集形態。膠乳狀膠粘劑只有當其液體分散介質(載體)的移去(揮發)而變粘;溶劑基橡膠甚至在含有可觀量的溶劑時就變粘。兩種膠都顯示很好的粘著性。
對某些粘合件,膠粘劑的固化溫度影響到膠粘劑的選擇。許多熱固性膠粘劑要加熱和加壓才能形成粘合件,而加工過程中不可能實現這些條件進,通常使用冷固化膠粘劑。膠粘劑的選擇還可以決定於粘合件的部件的幾何性及其排列情況。通常松配合的部件需要隙性膠粘劑;反之,緊配合的部件間需用低粘度膠粘劑。

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粘接 -影響粘接物理強度的物理因素

當膠粘劑良好地浸潤被粘材料表面時(接觸角θ90°),表面的粗糙化就不利於粘接強度的提高。
2.表面處理:
粘接前的表面處理是粘接成功的關鍵,其目的是能獲得牢固耐久的接頭。由於被粘材料存在氧化層(如鏽蝕)、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度。例如,聚乙烯表面可用熱鉻酸氧化處理而改善粘接強度,加熱到70-80℃時處理1-5分鐘,就會得到良好的可粘接表面,這種方法適用於聚乙烯板、厚壁管、等。而聚乙烯薄膜用鉻酸處理時,只能在常溫下進行。如在上述溫度下進行,則薄膜的表面處理,採用等離子或微火焰處理。
對天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠表面用濃硫酸處理時,希望橡膠表面輕度氧化,故在塗酸后較短的時間,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構,不利於粘接。
對硫化橡膠表面局部粘接時,表面處理除去脫膜劑,不宜採用大量溶劑洗滌,以免不脫膜劑擴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晶,而自然氧化的鋁表面是十分不規則的、相當疏鬆的氧化鋁層,不利於粘接。所以,需要除去自然氧化鋁層。但過度的氧化會在粘接接頭中留下薄弱層。
3.滲透:
已粘接的接頭,受環境氣氛的作用,常常被滲進一些其他低分子。例如,接頭在潮濕環境或水下,水分子滲透入膠層;聚合物膠層在有機溶劑中,溶劑分子滲透入聚合物中。低分子的透入首先使膠層變形,然後進入膠層與被粘物界面。使膠層強度降低,從而導致粘接的破壞。
滲透不僅從膠層邊沿開始,對於多孔性被粘物,低分子物還可以從被粘物的空隙、毛細管或裂縫中滲透到被粘物中,進而侵入到界面上,使接頭出現缺陷乃至破壞。滲透不僅會導致接頭的物理性能下降,而且由於低分子物的滲透使界面發生化學變化,生成不利於粘接的鏽蝕區,使粘接完全失效。
4.遷移:
含有增塑劑被粘材料,由於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,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管中,減少粘接缺陷。對於粘度較小的膠粘劑,加壓時會過度地流淌,造成缺膠。因此,應待粘度較大時再施加壓力,也促使被粘體表面上的氣體逸出,減少粘接區的氣孔。
對於較稠的或固體的膠粘劑,在粘接時施加壓力是必不可少的手段。在這種情況下,常常需要適當地升高溫度,以降低膠粘劑的稠度或使膠粘劑液化。例如,絕緣層壓板的製造、飛機旋翼的成型都是在加熱加壓下進行。
為了獲得較高的粘接強度,對不同的膠粘劑應考慮施以不同的壓力。一般對固體或高粘度的膠粘劑施高的壓力,而對低粘度的膠粘劑施低的壓力。
6.膠層厚度:
較厚的膠層易產生氣泡、缺陷和早期斷裂,因此應使膠層儘可能薄一些,以獲得較高的粘接強度。另外,厚膠層在受熱后的熱膨脹在界面區所造成的熱應力也較大,更容易引起接頭破壞。
7.負荷應力:
在實際的接頭上作用的應力是複雜的,包括剪切應力、剝離應力和交變應力。
(1)切應力:由於偏心的張力作用,在粘接端頭出現應力集中,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,接頭在剪切應力作用下,被粘物的厚度越大,接頭的強度則越大。
(2)剝離應力:被粘物為軟質材料時,將發生剝離應力的作用。這時,在界面上有拉伸應力和剪切應力作用,力集中於膠粘劑與被粘物的粘接界面上,因此接頭很容易破壞。由於剝離應力的破壞性很大,在設計時盡量避免採用會產生剝離應力的接頭方式。
(3)交變應力:在接頭上膠粘劑因交變應力而逐漸疲勞,在遠低於靜應力值的條件下破壞。強韌的、彈性的膠粘劑(如某些橡膠態膠粘劑)耐疲性能良好。
8.內應力:
(1)收縮應力:當膠粘劑固化時,因揮發、冷卻和化學反應而體積發生收縮,引起收縮應力。當收縮力超過粘附力時,表觀粘接強度就要顯著降。此外,粘接端部或膠粘劑的空隙周圍應力分佈不均勻,也產生應力集中,增加了裂口出現的可能。有結晶性的膠粘劑在固化時,因結晶而使體積收縮較大,也造成接頭的內應力。如在其中加入一定量能結晶或改變結晶大小的橡膠態物質,那麼就可以減少內應力。在熱固性樹脂膠中加增韌劑是一個最好的說明。例如酚醛-縮醛膠,當縮醛含量低於40%時,接頭髮生單純界面破壞;而在40%以上時則為內聚破壞,粘接強度明顯增強。
(2)熱應力:在高溫下,熔融的樹脂冷卻固化時,會產生體積收縮,在界面上由於粘接的約束而產生內應力。在分子鏈間有滑移的可能性時,則產生的內應力消失。
影響熱應力的主要因素有熱膨脹係數、室溫和Tg間的溫差以及彈性差量。
為了緩和因熱膨脹係數差而引起的熱應力,應使膠粘劑的熱膨脹係數接近於被粘物的熱膨脹係數,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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粘接 -粘接體受力情況

膠粘劑從柔性的未乾的材料變成韌性的、硬的固體,其內聚強度性質大幅度的變化,其幅度約幾千N/cm2。其內聚強度的增加是膠層能承受不同應力的根本原因。但內聚強度的形成也是粘接體內應力產生的重要原因。
在某些例子中,可能只需要膠粘劑起臨時粘接作用。如象在定位和鎖緊零件時,使零件固定。在對膠粘劑有特殊的強度要求的應用中,考慮粘接應力是必要的。其中尤其是產生應力的本質及應力的大小、粘接件的應用條件。粘接劑選定之後,接頭上膠粘劑的性能還依賴於許多因素,最重要是接頭設計、被連接表面的狀態、所使用的粘接技術、膠層的厚度、以及被粘體零件的強度和厚度或形狀。膠粘劑所提供的應力的類型和大小很大程度上決定於接頭設計。粘接體可能受到剪切力、張力或壓縮力、或者劈力或剝離力,以及這些應力的任何結合力。大多數膠粘劑顯示了好的抗壓強度;某些膠粘劑可能有低的剝離強度,但有高的抗剪切強度,或者相反。常常可能達到所需要的接頭強度,甚至用低強度膠粘劑也是如此。當然,在不能設計大面積接頭的地方,採用高強度膠粘劑就成為必然的了。
接頭膠膜的厚度以選擇適合的膠粘劑來滿足所需要的強度是有特殊意義的。採用高模數的膠粘劑,在膠膜厚度較小時得到較高的抗張強度和抗剪切強度。熱固性樹脂要得到最佳強度通常膠膜厚度0.03~0.12mm,低於0.03mm強度通常要降低。強度與被粘表面的光滑度有關,接頭缺膠是危險的。另一方面,用彈性膠粘劑時,增加膠膜厚度會產生較高的剝離強度。尤其是在膠膜超過0.13mm厚時,通常會達到最佳強度。為了減少接頭應力,不採用固化后比被粘材料還要硬的膠粘劑。
粘接體所受外應力的條件必須詳細說明。對粘接頭可能支持的負荷,如間歇負載或振動負載,並不是所有膠粘劑的功效都正好一樣。有的膠粘劑形成硬的易碎粘接層,在振動負載容易破裂;而另一些膠粘劑雖然經受得住間歇負載,但不能支持連續負載。提高負載速率對許多膠粘劑來說,會明顯地提高粘接強度(例如衝擊或剪切強度)。這也是一個值得考慮的因素。
被粘體和膠粘劑的相容性
當被粘體與膠粘劑不相容時,將導致粘接件的粘接破壞。甚至膠粘劑的組成之一與被粘體不相容時也是如此。
例如:金屬部件受到酸性(或鹼性)膠粘劑的腐蝕;
柔性塑料中的增塑劑遷移到膠粘劑,導致界面粘接破壞;
膠粘劑中溶劑或揮發物對塑料薄膜的作用。
只要有可能,在提供膠粘劑樣品的同時,都要提供其性質的詳細說明,這無疑對膠粘劑的製造者或粘接工藝的實施者都是有益的。對電子元件和印刷電路板,通常要求在使用或貯存條件下膠粘劑不腐蝕銅及其它元件材料。在炸藥或類似的火工材料粘接時,其它的化學反應發生可能破壞粘接,甚至對炸藥有不利影響(即敏化或鈍化)。

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粘接 -粘接破壞機理

粘接破壞發生在接頭最薄弱的地方,不一定總是發生在膠粘劑和被粘物的界面上。破壞的形式有:

(1)內聚破壞----破壞發生在膠粘劑層內
(2)粘附破壞----破壞發生在膠粘劑與被粘物界面上
(3)被粘材料破壞
(4)混合破壞即膠粘劑的內聚破壞和粘附破壞與被粘材料破壞的混合。
膠粘劑或被粘材料破壞是理想的破壞形式即100%的內聚破壞,因為這種破壞在材料粘接時能獲得最大強度。
由於膠粘劑固化時的自然收縮和膠粘劑與被粘物性質上的差異,致使粘接接頭存在內應力。為了減少因熱交變或高溫固化冷卻后產生的應力,儘可能使膠粘劑與被粘物的熱膨脹係數相接近。降低內應力的辦法有兩種①添加填料;②選用彈性良好的膠粘劑。因此內應力集中造成的破壞將降低粘接強度。

粘接 -粘接技術

用膠粘劑把相同或不同材料的零件連接成一體,或把磨損、損壞的零件修復的方法稱為粘接與粘補。這種技術在設備維修中已廣為應用,例如,用粘接法修復斷裂的零件;以粘接代替螺釘連接鑲裝導軌板;用膠粘劑塗在零件的磨損部位(如軸或孔)表面,經機械加工修復其尺寸與形位精度;用膠粘劑密封箱體與箱蓋的接合面、管路接頭,密封和鎖固螺紋連接;用膠粘劑填充鑄件的砂眼、氣孔、疏鬆等缺陷,防止滲漏等。
粘接的主要優點:①相同或不同材料均可粘接;②粘接工藝溫度不高,被粘接的零件不會出現變形,不會降低原有強度;③膠縫有密封、耐腐蝕、耐磨、隔熱、絕緣、防振和減振等性能;④工藝簡便、成本低、工期短。
粘接的主要缺點:①不耐高溫,一般合成膠粘劑只能在150℃以下連續工作;②粘接強度不高,耐衝擊、抗老化性能差;③尚無可行的無損檢驗方法。

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