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粘接力，粘接力的又稱主價鍵力，存在于原子(或離子)之間，有離子鍵、共價鍵及金屬鍵三種不同形式，離子鍵力是正離子和負離子之間的相互作用力，離子鍵力與正負離子所帶電荷的乘積成正比，與正負離子之間距離的乎方成反比。共價鍵力即兩個原子之間通過共用電子對連接的作用力，共價鍵能等于共價鍵力與形成共價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動而產生的連接力，與粘接過程關系不大。

膠黏劑與被粘物之間，如能引入化學鍵連接，其粘接強度將有顯著提高。例如聚氨酯膠黏劑粘橡膠、纖維等物質可能發生化學反應而增大粘接強度。

分子間力又稱次價鍵力，有取向力、誘導力、色散力(以上諸力合稱范德華力，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，產生的取向力就越大；溫度越高，分子的取向力越弱。

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

由于電子是處于不斷運動之中，正負電荷中心瞬間的不重合作用(色散作用，產生的瞬時偶極誘導鄰近分子產生瞬時誘導偶極，這種偶極間形成的作用力稱色散力。低分子物質的色散力較弱，色散力與分子間距離的六次方成反比，與環境溫度無關。因色散作用具有加和性，故高分子物質的色散力相當可觀。非極性高分子物質中，色散力占全部分子作用力的80%-100%。

氫鍵作用產生的力稱氫鍵力。當氫原子與電負性大的原子X形成共價化合物HX時，HX分子中的氫原子吸引鄰近另一個HX分子中的X原子而形成氫鍵。

X原子的電負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、聚乙烯醇等高分子物質都能產生氫鍵作用。氫鍵力有飽和性和方向性，比主價鍵力小得多，但大于范德華力。

界面靜電引力

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

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的兩種物質接觸時，都可能產生界面靜電引力。

機械作用力

從物理化學的觀點看，機械作用并不是產生粘接力的因素，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，固化后在界面區產生了嚙合力。機械連接力的本質是摩擦力，在粘接多孔材料、織物及紙等時是很重要的。

在各種產生粘接力的因素中，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源。

粘接過程的界面化學

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，而這種浸潤情況與膠黏劑的組成、性能、被粘件的結構與性質，膠黏劑與被粘件間的相互作用密切相關，也就是說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部分子吸引的結果。其大小與液體的性質(分子間力)、純度、溫度等有關。其作用的結果是液體總是傾向于盡可能縮小表面積(或者說體積)，這就是空氣中的小液滴是球狀的原因。實際上液體表面的分子并非只受到內部分子的作用，也受到外部分子的作用，這個外部分子是氣體分子，它的作用很弱，與內部分子的吸力相比可以忽略不計。圖1-1(b)表示兩種液體互相接觸的情況。此時各液滴表面所受外部分子的作用是來自液體。在兩種液體的分子結構、性質相差很大時，二者表面之間的作用力比各自內部對表面的作用力小得多，其結果是這兩種液滴不能互相浸潤，反之則易于浸潤甚至溶為-體。這兩種液體分子各自受到內部引力與相互之間的引力，此兩種力的合力稱為界面張力（γLL）。按此定義人們常說的表面張力（γL）實則為液體與氣體間的界面張力（γLV）。

界面張力與浸潤

從熱力學角度提出的單位面積表面區的自由能數值與表面張力相等，縮小表面積能導致自由能下降，故縮小表面是一個自動進行的過程。

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

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

為了便于討論，可將膠黏劑當成一種液體，被粘物當成固體。當膠黏劑被涂于被粘物表面且達到受力平衡時，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系為：從以上關系或可以看出，為了增強浸潤、降低θ，必須設法增大γS、減小γL，也就是說，表面張力小的物質能很好地浸潤表面張力大的物質，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、無機鹽等的表面張力都很大，很容易被膠黏劑浸潤，塑料的表面張力一般與膠黏劑相近，浸潤程度差。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，不進行特殊處理，無法實現粘接。值得特別注意的是表面張力很大的物質，雖然很易被膠黏劑浸潤，但在粘接之前卻很易被油類污染。顯然在對表面張力很小的物件進行粘按時，在膠液中適當加入一些表面活性劑也是有益的。

選自肖衛東《粘接實踐200例》