粘接件之間的幾種作用力的介紹

膠黏劑與被粘物之間的界面相互作用的力稱(chēng)粘接力，粘接力的又稱(chēng)主價(jià)鍵力，存在于原子(或離子)之間，有離子鍵、共價(jià)鍵及金屬鍵三種不同形式，離子鍵力是正離子和負(fù)離子之間的相互作用力，離子鍵力與正負(fù)離子所帶電荷的乘積成正比，與正負(fù)離子之間距離的乎方成反比。共價(jià)鍵力即兩個(gè)原子之間通過(guò)共用電子對(duì)連接的作用力，共價(jià)鍵能等于共價(jià)鍵力與形成共價(jià)鍵的兩原子間距離的乘積。金屬鍵力是金屬正離子之間由于電子的自由運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的連接力，與粘接過(guò)程關(guān)系不大。

膠黏劑與被粘物之間，如能引入化學(xué)鍵連接，其粘接強(qiáng)度將有顯著提高。例如聚氨酯膠黏劑粘橡膠、纖維等物質(zhì)可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而增大粘接強(qiáng)度。

分子間力又稱(chēng)次價(jià)鍵力，有取向力、誘導(dǎo)力、色散力(以上諸力合稱(chēng)范德華力，和氫鍵力幾種形式。取向力即極性分子永久偶極之間產(chǎn)生的引力，與分子的偶極矩的平方成正比，與兩分子距離的六次方成反比。分子的極性越大，分子之間距離越近，產(chǎn)生的取向力就越大；溫度越高，分子的取向力越弱。

誘導(dǎo)力是分子固有偶極和誘導(dǎo)偶極之間的靜電引力。極性分子和非極性分子相互靠近時(shí)，極性分子使非極性分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，極性分子之間，也能產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。誘導(dǎo)力與極性分子偶極矩的乎方成正比，與被誘導(dǎo)分子的變形程度成正比，與兩分子間距離的六次方成反比，與溫度無(wú)關(guān)。

由于電子是處于不斷運(yùn)動(dòng)之中，正負(fù)電荷中心瞬間的不重合作用(色散作用，產(chǎn)生的瞬時(shí)偶極誘導(dǎo)鄰近分子產(chǎn)生瞬時(shí)誘導(dǎo)偶極，這種偶極間形成的作用力稱(chēng)色散力。低分子物質(zhì)的色散力較弱，色散力與分子間距離的六次方成反比，與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。因色散作用具有加和性，故高分子物質(zhì)的色散力相當(dāng)可觀。非極性高分子物質(zhì)中，色散力占全部分子作用力的80%-100%。

氫鍵作用產(chǎn)生的力稱(chēng)氫鍵力。當(dāng)氫原子與電負(fù)性大的原子X(jué)形成共價(jià)化合物HX時(shí)，HX分子中的氫原子吸引鄰近另一個(gè)HX分子中的X原子而形成氫鍵。

X原子的電負(fù)性越大氫鍵力也越大，X原子的半徑越小氫鍵力越大。纖維素、聚丙烯腈、聚酰胺、蛋白質(zhì)、聚乙烯醇等高分子物質(zhì)都能產(chǎn)生氫鍵作用。氫鍵力有飽和性和方向性，比主價(jià)鍵力小得多，但大于范德華力。

界面靜電引力

當(dāng)金屬與非金屬材料(例如高分子膠黏劑)密切接觸時(shí)，金屬容易失去電子，非金屬容易得到電子，使界面兩側(cè)產(chǎn)生接觸電勢(shì)，并形成雙電層而產(chǎn)生靜電引力。

除了金屬-非金屬相互接觸能夠形成雙電層外，一切具有電子供受體性質(zhì)的兩種物質(zhì)接觸時(shí)，都可能產(chǎn)生界面靜電引力。

機(jī)械作用力

從物理化學(xué)的觀點(diǎn)看，機(jī)械作用并不是產(chǎn)生粘接力的因素，而是增加粘接效果的-種方法。膠黏劑充滿被粘物表面的縫隙或凹凸之處，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了嚙合力。機(jī)械連接力的本質(zhì)是摩擦力，在粘接多孔材料、織物及紙等時(shí)是很重要的。

在各種產(chǎn)生粘接力的因素中，只有分子間作用力普遍存在于所有粘接體系，其他作用僅在特殊情況下成為粘接力的來(lái)源。

粘接過(guò)程的界面化學(xué)

要想形成完美的密封或粘接，液體膠黏劑與固體被粘件之間必須形成完好的浸潤(rùn)，而這種浸潤(rùn)情況與膠黏劑的組成、性能、被粘件的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，膠黏劑與被粘件間的相互作用密切相關(guān)，也就是說(shuō)二者之間的界面張力的影響是極為重要的。

表面張力與界面張力

液體的表面張力是作用于液體表面單位長(zhǎng)度上使表面收縮的力。從圖可看出表面張力為液面的分子受液體內(nèi)部分子吸引的結(jié)果。其大小與液體的性質(zhì)(分子間力)、純度、溫度等有關(guān)。其作用的結(jié)果是液體總是傾向于盡可能縮小表面積(或者說(shuō)體積)，這就是空氣中的小液滴是球狀的原因。實(shí)際上液體表面的分子并非只受到內(nèi)部分子的作用，也受到外部分子的作用，這個(gè)外部分子是氣體分子，它的作用很弱，與內(nèi)部分子的吸力相比可以忽略不計(jì)。圖1-1(b)表示兩種液體互相接觸的情況。此時(shí)各液滴表面所受外部分子的作用是來(lái)自液體。在兩種液體的分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相差很大時(shí)，二者表面之間的作用力比各自?xún)?nèi)部對(duì)表面的作用力小得多，其結(jié)果是這兩種液滴不能互相浸潤(rùn)，反之則易于浸潤(rùn)甚至溶為-體。這兩種液體分子各自受到內(nèi)部引力與相互之間的引力，此兩種力的合力稱(chēng)為界面張力（γLL）。按此定義人們常說(shuō)的表面張力（γL）實(shí)則為液體與氣體間的界面張力（γLV）。

界面張力與浸潤(rùn)

從熱力學(xué)角度提出的單位面積表面區(qū)的自由能數(shù)值與表面張力相等，縮小表面積能導(dǎo)致自由能下降，故縮小表面是一個(gè)自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。

固體具有一定形狀，其表面不能收縮，因此，它沒(méi)有表面張力而只有表面自由能γs。在討論寸有時(shí)稱(chēng)γs為固體的表面張力。

液體與固體表面接觸時(shí)，處于界面區(qū)的兩種分子在朝向各相內(nèi)部方向受到同種分子的吸引作用。在朝向界面方向，受到來(lái)自界面分子力的吸引作用。此兩種吸引力的合力稱(chēng)為界面張力為γSL。低表面能固體，其吸引力低于液體相分子的吸引力，則界面區(qū)的液體分子有一種向液體內(nèi)部收縮的張力，這就是非浸潤(rùn)態(tài)。高表面能固體，則界面區(qū)液體分子有一種被吸附于固體的壓力，這就是浸潤(rùn)狀態(tài)。浸潤(rùn)程度可用液體與固體接觸面的接觸角θ表示(見(jiàn)圖1-2)。θ值越小，說(shuō)明浸潤(rùn)狀態(tài)越好，θ<90°為浸潤(rùn)狀態(tài)，θ>90°為不浸潤(rùn)狀態(tài)，θ=0°時(shí)為完全浸潤(rùn)狀態(tài)。

為了便于討論，可將膠黏劑當(dāng)成一種液體，被粘物當(dāng)成固體。當(dāng)膠黏劑被涂于被粘物表面且達(dá)到受力平衡時(shí)，其表面張力、界面張力和液體在固體表面的接觸角的相互關(guān)系為：從以上關(guān)系或可以看出，為了增強(qiáng)浸潤(rùn)、降低θ，必須設(shè)法增大γS、減小γL，也就是說(shuō)，表面張力小的物質(zhì)能很好地浸潤(rùn)表面張力大的物質(zhì)，反之則不行。例如水的表面張力比油大得多，所以油能很好地鋪在水(或冰)上，而水卻不能很好地鋪在油(或石蠟)上。金屬、無(wú)機(jī)鹽等的表面張力都很大，很容易被膠黏劑浸潤(rùn)，塑料的表面張力一般與膠黏劑相近，浸潤(rùn)程度差。有些表面張力很小(如聚四氟乙烯、聚甲基硅氧烷等)的材料，很難浸潤(rùn)，不進(jìn)行特殊處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粘接。值得特別注意的是表面張力很大的物質(zhì)，雖然很易被膠黏劑浸潤(rùn)，但在粘接之前卻很易被油類(lèi)污染。顯然在對(duì)表面張力很小的物件進(jìn)行粘按時(shí)，在膠液中適當(dāng)加入一些表面活性劑也是有益的。

選自肖衛(wèi)東《粘接實(shí)踐200例》