北化涂料与胶粘剂3

1、第四章第四章 胶粘剂基本性能及测试胶粘剂基本性能及测试 涂料涂料与胶粘剂胶粘剂 Coatings Coatings and and AdhesivesAdhesives） 张 军 营 东区 教321室 3-11 周 2014-09-16, 2014-09-23, 2014-09-30, 2014-10-7, 2014-10-14 2014-10-21, 2014-10-28, 2014-11-4, 2014-10-11, (考试) 胶接接头胶接接头(joint)的主要作用是传递应力的主要作用是传递应力 (stress),其力学性能是重要指标。力学性其力学性能是重要指标。力学性 能由被粘物能由被

2、粘物(adherend)和胶粘剂的性能特和胶粘剂的性能特 性所决定。主要取决于固化后胶粘剂的力性所决定。主要取决于固化后胶粘剂的力 学性能和胶接界面粘附性能。学性能和胶接界面粘附性能。 2012.9.18 拉伸 拉伸剪切 压缩剥离或劈裂 垂直于胶接面 平行于胶接面 压缩剪切 扭转剪切 adhesive 接头头承受外力的形式 静态力 静态力 拉伸压缩交变 垂直于胶接面 平行于胶接面 动态力 动态力 动态力 l应变应变(strain)(strain)：当材料受到外力作用：当材料受到外力作用, , 而材料所处的条件使它不能产生惯性而材料所处的条件使它不能产生惯性 移动时移动时, ,它的几何形状它的几

3、何形状(shape)(shape)和尺寸和尺寸 (dimension)(dimension)将发生变化。将发生变化。 l应力应力(stress)(stress)：材料发生宏观变形时材料发生宏观变形时, , 其内部分子之间以及分子内原子之间其内部分子之间以及分子内原子之间 的相对位置和距离就要发生变化的相对位置和距离就要发生变化, ,在在 原子和分子之间产生附加的内力。这原子和分子之间产生附加的内力。这 种内力抵抗着外力种内力抵抗着外力, ,力图使材料恢复力图使材料恢复 原状。当达到平衡时原状。当达到平衡时, ,内力与外力大内力与外力大 小相等小相等, ,方向相反。单位面积方向相反。单位面积(a

4、rea)(area) 上的附加上的附加被定义为应力被定义为应力, ,其值其值 与单位面积上的外力相等与单位面积上的外力相等 力 的大小是斜率 F=dU/dL l大小相等大小相等, ,方向相反方向相反, ,作用于同一直线上作用于同一直线上 l张应变张应变的定义是的定义是 =(l =(ll l0 0)/l)/l0 0=l/l=l/l0 0 l张应变也简称为应变或伸长率张应变也简称为应变或伸长率( (elongation) )。 l张应力张应力的定义是的定义是 =F/Ao =F/Ao l真实应力真实应力=F/A =F/A F F F F l0 l l大小相等大小相等, ,方向相反方向相反, ,作用于

5、非一直线作用于非一直线 上上 l切应变切应变的定义是的定义是 =tan =tan l切应力切应力的定义是的定义是 s=F/Ao s=F/Ao F F F F l当材料受到均匀压力当材料受到均匀压力P的作用时的作用时,材料发材料发 生体积收缩。材料的均匀压缩应变被定生体积收缩。材料的均匀压缩应变被定 义为义为 l =V/Vo l 对于服从虎克定律的理想弹性体对于服从虎克定律的理想弹性体,应力与应变成正比应力与应变成正比,其比例常其比例常 数被称为弹性模量。数被称为弹性模量。 lE=/=(F/Ao)/(l/lo) 杨氏模量杨氏模量 lG=s/=F/(Aotan) 切变模量切变模量 lB=P/(V/

6、Vo)=PVo/V 体积模量体积模量 lE=2G(1+)=3B(1-2) l式中式中是泊松比是泊松比 l =-(m/m)/(l/l)=-t/ 法国数学家法国数学家 Simeom Denis Poisson 为名。为名。 在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向 应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦反之亦 然然)，而横向应变，而横向应变 e 与轴向应变与轴向应变 e 之比称为泊松比之比称为泊松比 V。材料的

7、泊松比一般通过试。材料的泊松比一般通过试 验方法测定。验方法测定。 4.2.1 玻璃化转变 l聚合物性能随温度变化划为三种力学状态-玻璃态、 高弹态和粘流态。玻璃态与高弹态之间的转变,称为 玻璃化转变,对应的温度为Tg。高弹态与粘流态 之间的转变温 度称为粘流温 度，f表示。 模量 温度T 形变 高弹态 粘流态 玻璃态 Tg Tm l高弹态：高弹态： l弹性形变大,可达1000%,而一般材料的弹性 形变不超过1%。 l弹性模量小,只有0.11兆帕,而一般材料的 弹性模量可达10 10 3兆帕。 l高弹性材料的弹性模量随温度的增加而增 加,金属材料的弹性模量随温度的增加而减少。 l在快速拉伸时(

8、绝热过程),聚合物温度升高, 而金属材料则相反 l(5)熵弹性熵弹性:f=-T(S/l)T,V l理想的弹性固体的弹性服从理想的弹性固体的弹性服从虎克定律虎克定律,在形变在形变 不大时不大时,应力与应变成正比应力与应变成正比;理想的粘性液体的理想的粘性液体的 粘性服从粘性服从牛顿定律牛顿定律,应力正比于应变速率。应力正比于应变速率。 l 聚合物材料的力学行为强烈地依赖于聚合物材料的力学行为强烈地依赖于温度温度和和 外力作用的外力作用的时间时间。在外力作用下。在外力作用下,聚合物材料聚合物材料 的形变性质介于弹性材料和粘性材料之间的形变性质介于弹性材料和粘性材料之间,应应 力同时依赖于应变和应变

9、速率。聚合物的这力同时依赖于应变和应变速率。聚合物的这 种种兼有固体弹性和液体粘性的行为兼有固体弹性和液体粘性的行为被称为粘被称为粘 弹性。弹性。 l在一定温度、湿度和一定应力的持续作用下在一定温度、湿度和一定应力的持续作用下, 聚合物材料的聚合物材料的形变随时间的增加而增加形变随时间的增加而增加,最后最后 达到平衡达到平衡。如果在一定时间后。如果在一定时间后,将应力除去将应力除去,形形 变随时间变化的现象叫做蠕变恢复。变随时间变化的现象叫做蠕变恢复。 lJ(t)=J0+J(t)+t/ l式中式中J0为普弹柔量为普弹柔量;J为平衡态柔量为平衡态柔量;为本体为本体 粘度粘度;(t)为蠕变函数。为

10、蠕变函数。 l 固化后的胶粘剂的蠕变试验通常是在拉伸或 剪切应力作用下进行的。在一定的温度和湿 度条件下,对粘接的拉伸或剪切试件施加一定 的荷载,测量形变和断裂时间,对结构胶粘剂来 说可以测得持久(long term )强度;对压敏胶粘 剂来说可以测得持粘(holding)时间。 蠕变寿命 l应力松弛是粘弹性材料表现出的另 一种现象。它是将一应力作用于试 样上,使试样瞬时产生一定应变,然后 维持这个应变不变,即维持应变为一 个阶梯函数 ，观察到的应力随时间 而降低的现象。 材料的冲击强度是在高速冲击状态下对材料的韧性 或材料抵抗断裂能力的度量。与材料的其它性能不 同,它是指某一标准试件在冲击断

11、裂时,单位面积上 所需要的能量,而不是通常所指的“断裂应力”。 冲击强度不是材料的基本参数,而是一定几何形状 的试件在特定试验条件下韧性的一个指标。 温度的影响较大，对于热固胶粘剂，影响较小 （1 1）拉伸）拉伸 （2 2）剪切）剪切 （3 3）剥离）剥离(peel) (2(peel) (2）劈开）劈开 (Crack)(Crack) t t E E A A L L B LB P A P 单位：MPa10kgf/cm2142psi P P 1 1长度长度厚度厚度搭接长搭接长宽度宽度总长总长 国别国别A At tL LB BE E拉伸速度拉伸速度 毫米毫米毫米毫米毫米毫米毫米毫米毫米毫米 中国中国

12、60/7060/702.002.0015.015.020.020.012512510mm/min10mm/min 美国美国ASTMD1002ASTMD1002101.6101.61.621.6212.712.725.425.4190.5190.535576223557622 3N/min3N/min 西德西德DIN53281DIN53281112.0112.01.51.512.012.025.025.021221215-2015-20 mm/minmm/min 东德东德TGL14910TGL14910100.0100.01.51.510.010.025.025.0190190/ / 英国英国B

13、SdraftBSdraft100.0100.01.51.512.512.525.025.0187.5187.5/ / 前苏联前苏联 COT14759COT14759 60.060.02.02.015.015.020.020.010510510mm/min10mm/min 国际国际 ISODIS4580ISODIS4580 100.0100.01.61.612.512.525.025.0187.5187.53535 kN/minkN/min l(1)应力的不均匀分布影响 一般金属被粘物与聚合物胶粘剂的弹性模量相 差悬殊,在负荷下应变差异很大, 搭接接头在剪 切力作用下的应力分布不均匀。 三种应力

14、： 被粘物上存在着平行于外力的拉伸应力f; 胶粘剂层中存在着平行于外力的剪切应力; 在胶粘剂和被粘物的胶接面上存在着垂直于胶 接面的剥离应力,该应力是由于外力作用的不 同心而引起的。 应力集中系数 n =最大 /平均 被粘物上的应力集中(宽:B,厚:t,力:P）（了解即可） =P/Bt+KM0z/I =P/Bt+6KPz/Bt2（了解即可） 如果不发生塑性变形，K1， n为4 胶粘剂层上的应力集中 剪切：L(1+3K)(cothL/2t)/8t+3(1-K)/4 剥离:K(sinh2-sin2)/(sinh2+sin2) +2K(cosh2+cos2)/(sinh2+sin2 ) 搭接长度的影

15、响 对某一特定的被粘物与胶粘剂都有一个特定 的LM值。当L=LM时,搭接接头中央的应力为零;当 LLM时,L的增加仅增加搭接中央应力为零的部分， 破坏负荷维持不变。 l(2)温度的影响 随着温度的增加,固化 胶粘剂的内聚强度下 降,造成剪切强度下降; 同时,固化胶粘剂的模 量也下降,使接头的应 力集中系数下降,造成 接头剪切强度增高。 这两种因素共同作用 的结果,使接头的剪切 强度随温度的变化出 现一个极大值 单位：MPa10kgf/cm2142psi 若胶粘剂在发生破坏时可以看作是符合虎克定律的弹性 体,则扭转剪切强度 d=16daMd/(da4-db4) 若胶粘剂在发生破坏时有塑性变形,则

16、扭转剪切强度 d=12Md/(da4-db4) Md 菌形试件圆形试件 方形试件 十形试件 P l =P/a 同剪切强度 l单位：MPa10kgf/cm2142psi l l在粘接面的边缘有应力集中 l边缘应力集中系数的大小与被粘物半径、 被粘物模量、胶层厚度等因素有关。粘 接头的拉伸强度也必然受这些因素的影 响。由于方形试件边缘到中心的距离不 同,其应力分布更不均匀,所以用方形试件 只能测得“近似”的正拉强度。 劈开破坏 剥离破坏 l.胶层上的应力分布不均匀,应力集中在端部非常狭窄的 区域内; l.受力区域的宽度与胶粘剂和被粘物的厚度及模量有关; l.破坏从端部开始。 随着被粘物厚度的增加,

17、破坏负荷P也不断增加,而粘接接头 的破坏功W则在被粘物的某一厚度时有一个极敏锐的跳跃, 这个厚度被称为临界厚度tC。若被粘物厚度小于tC时,这时 受载,被粘物将明显的发生塑性变形,然后粘接接头就发生 剥离破坏;厚度大于tC时就发生劈裂破坏 l .“T”型剥离，强度单位为Ncm; l .180背剥离,强度单位为N/cm; l .“Bell”剥离,强度单位为N/cm; l .爬高园鼓剥离简称爬鼓剥离。强度 单位为J/cm。 l拉伸速率:3000NS-1 l单位Ncm-1 l其它剥离强度测试方法 不均匀扯离强度测试和弯 曲折断试验 假定胶粘剂和被粘物都是理想弹性体,被粘物A发生弯曲变形所 造成的应力

18、应与胶粘剂相应的拉伸应力相平衡。胶层在x点的 拉伸形变为 y=(exp(-x)/2 EI) (Pcosx+M(cosx-sinx) E为模量，I为转动惯量，M为力矩 若接头破坏的最大负荷为P0,胶层最大伸长为y0,最大的相对伸 长为0=y0/t,则 y/y0=(exp(-x)/P0) (Pcosx+M(cosx-sinx) 当L=0时,可化简为 y/y0=exp(-x)cosx 当L=时,可化简为 y/y0=exp(-x)(cosx-sinx) 应力分布曲线有负值应力分布曲线有负值,即有即有压缩应力压缩应力存在。存在。 波形的波形的振幅下降得很快振幅下降得很快,就连第二个波形处的应就连第二个波

19、形处的应 力也可以忽略不计。力也可以忽略不计。 应力分布曲线的形状应力分布曲线的形状,与与负荷的大小无关。负荷的大小无关。 应力分布的宽度取决于力学因子应力分布的宽度取决于力学因子,而而是与被粘是与被粘 物和胶粘剂的模量和厚度物和胶粘剂的模量和厚度有关。有关。 =(Ea/4EId)1/4 应力分布曲线的形状与力臂应力分布曲线的形状与力臂L有关有关,L=0时胶层承时胶层承 受负荷的面积是受负荷的面积是L=时的二倍。时的二倍。 随随L的增加的增加,破坏接头所需的外力逐渐减小破坏接头所需的外力逐渐减小,L=0时时, 破坏接头所需的外力最大破坏接头所需的外力最大 l(1)剥离角度对剥离强度的影响 l很

20、明显,剥离角度增加,剥离强度迅速下降, 当剥离角度达90以上时,剥离强度的变 化趋于平稳。 l(2)被粘物的性质和厚度的影响 l粘接部件进行整体装配、校形以及以后 的使用和维修过程中经常受到冲击作用， 所以测定粘接接头的抗冲击强度也是具 有重要的实际意义的 l试件形状 l冲击强度 (0-)/ l冲击强度的方法只是一种近似的方法。其中包括被粘 物的塑性变形所吸收的冲击功，它不仅与试件大小、 材料种类、冲击角等有关，而且还与胶粘剂的韧性有 关。胶层韧性越大，破坏试件所吸收的冲击功也越大， 因而也越容易使被粘物发生塑性变形，被粘物吸收的 冲击功也就越大。 l 粘接接头的抗冲击强度与胶粘剂的模量、断裂

21、伸长 率和抗裂缝增长能力这三方面的性能有关。较高的模 量、较高的断裂伸长率和较好的抗裂缝增长能力的胶 粘剂有高冲击强度。 l冲击剥离强度 lPL/l l单位Jcm-1 l持久强度仍为一破坏强度 l温度和时间为基本条件 l持久强度 lT为温度,t为时间为强度 T t l将小于静态破坏力（加载速度在46kN/min）的负荷 加于粘接接头，胶粘剂层在持续应力的作用下将发 生塑性流动，经一定时间后接头就会破坏。粘接接头粘接接头 在一定的工作时间内，每单位面积所能承受的最大负在一定的工作时间内，每单位面积所能承受的最大负 荷被称为荷被称为持久强度持久强度 万小时工作时间下的持久强度 被称为持久强度极限。

22、在给定的应力水平下，粘接接在给定的应力水平下，粘接接 头发生破坏的时间被称为头发生破坏的时间被称为持久寿命持久寿命。在持续应力作用 下，胶粘剂层沿着力的作用方向发生的位移被称为胶粘剂层沿着力的作用方向发生的位移被称为蠕蠕 变变. l粘弹性的高聚物在持续应力作用下会发 生应力松弛和蠕变 l在持久强度测定过程当中,接头的应力分 布是随时间而变化的（图6.39) l搭接中部的蠕变都是从加载以后的某个 时刻突然开始,加载越小,开始时间越后 l(1)加载应力与持久寿命的关系 l=A-Blogt l冲击破坏是以10-4 10 -3 秒来计算的,静 态破坏是以10秒 来计算的,而持久破坏 则是以104秒来计

23、算的 （2）温度与持久寿命的关系 1/T=C/K+logt/K; K=(H-B)/2.3R) C为常数。也就是说在加载应力 一定时,温度T的倒数和持久寿命t 的对数呈直线关系 温度对化学结构的改变 l对于热熔胶和压敏胶来说,蠕变是明显的, 但对于结构胶粘剂来说,蠕变量常常是极 小的,而且重要性也远比持久强度小 l胶粘剂的蠕变与它的交联密度和模量有 关 l填料对胶粘剂蠕变没有影响 l纳米填料? l 粘接接头的疲劳是指在不断循环交变的 应力作用下,接头强度不断下降以致破坏 的现象 l应力比R:最小/最大 l拉伸,剪切疲劳R=0.1,旋转弯曲疲劳R=-1 l粘接接头的疲劳强度疲劳强度是指在给定的条件

24、 下,粘接接头承受规定次数的交变负荷而 不引起破坏的最大应力 l参照金属疲劳极限强度的规定,一般也把 承受107交变应力时粘接接头的疲劳强度 称为疲劳极限强度。 l在指定的疲劳应力条件下,造成接头破坏 的交变应力循环次数称为疲劳寿命疲劳寿命 (1)S-N图 取不同的交变应力水平(低于静态破坏 强度)进行疲劳试验, 以疲劳强度为纵轴,以疲劳寿 命的对数值为横轴作图,便得到粘接接头的S-N疲 劳曲线。这是最常用的疲劳试验数据处理方法。 (stress-No. in failure) (2)F-N图 在给定水平的交变应力下,进行疲劳试 验,取经过不同次数交变应力作用后的试件,测定 接头静态强度F。以

25、F为纵轴,以交变作用次数的 对数值为横轴作图,便得到粘接接头的F-N疲劳曲 线,即F-N图(remain force- after No. of fatigue) l(1)疲劳强度与疲劳寿命的关系 对于一般的粘接接头疲劳试验,疲劳破坏可以 看成是一个速度过程 S=A-KlogN l（2）温度对疲劳寿命的影响 在一定的交变应力作用下, logN=A+B/T 胶粘剂 静态剪切强度 (MPa) AK 环氧-聚酰胺14.018.62.16 环氧-聚硫19.921.72.35 环氧-多乙烯 多胺 21.320.62.16 环氧-缩醛15.118.01.66 酚醛-丁腈19.317.41.76 酚醛-缩醛

26、_25.32.84 （3）交变应力的频率对疲劳强度 的影响 测试交变应力的频率通常采用 1000-3000周/分,但粘接接头的疲 劳主要是音频疲劳。 金属被粘物,疲劳强度随着频率的 减少而有所降低. (4) 应力分布对疲劳强度的影响 粘接接头的应力集中对其疲劳 强度的影响要比对其静态强度的 影响严重的多。 被粘物也发生疲劳破坏。 l粘接接头在使用和存放过程中，由于受 到热、水、光、氧等环境因素的作用， 性能会逐渐下降，以至不能使用。这就 是粘接接头的老化现象 l环境试验是对可靠性估算方法 l综合大气光，热，氧，水，酸性气体等环境 条件，进行地点选择，进行长期观察。 l（1）大气曝晒试验 选择试

27、验地点，场所，试件角度，试验周期 老化试验地区不同，老化试验结果差别很大。 大多数胶粘剂在炎热潮湿的多雨的地区要比寒冷干 燥的少雨地区老化得快。 胶粘剂，被粘物及其表面处理方法、偶联剂及 底胶的使用、固化条件等都影响粘接接头的大气老 化。因此，各种胶粘剂的大气老化性能，很难被定 量比较。但从大量的试验数据得出，酚醛丁腈、 酚醛缩醛、酚醛环氧、有机硅和改性环氧胶粘 剂的大气老化性能比较好，而聚酯、聚氨酯、氰 基丙烯酸酯等胶粘剂的金属接头，耐大气老化性能 比较差。 在各种环境因素中，水是引起粘接接头大 气老化的最基本因素。，二氨基二苯甲 烷固化的环氧胶粘接的铝合金接头的老化试验 结果有力地说明，水

28、对金属粘接接头老化的影 响远比氧气、温度等因素大得多。 粘接接头的大气老化机理粘接接头的大气老化机理 水的作用 水分子在玻璃钢中沿着玻璃纤维表面渗透速度要 比通过树脂的渗透速度快倍 水对粘接界面的作用 水对胶层的作用 水渗入胶层的本体，一方面，可以破坏聚合物分 子间的氢键和其它次价键，使聚合物增塑，引起 物理机械性能的下降；另一方面，可以使聚合物 分子链断裂，产生化学降解（对聚酯、聚酰胺和 聚氨酯的水解），导至粘接接头强度的下降 应力的影响 外应力和内应力 内应力：一方面是来自胶层的固化； 第二方面是在粘接接头的环境温度变化时； 第三方面是在粘接接头的老化过程中，因胶 层吸水溶胀而引起的粘接界

29、面上的内应力。 引起部分分子链和分子间键的断裂，使粘接 接头中的固有缺陷发展成微小的裂缝，裂缝 不断增长 应力腐蚀开裂 应力造成的裂缝有利于介质（尤其是水）的进一步 渗透；而水的侵入又能促进裂缝沿垂直于应力的方 向进一步增长，以使应力释放到较低的水平。应力 与环境介质的互相促进和影响，大大地加速粘接接 头的大气老化。 其它因素的影响 太阳光中的紫外线 空气中的氧和臭氧 微生物（霉菌、细菌和放射菌） 腐蚀性的气体（24，2等 （）改善粘接接头大气老化性能的途径(pass) 改进胶粘剂的化学结构 胶粘剂本身耐水性好，不易被水解，吸水率低； 与被粘物表面能产生尽可能多的化学键；有较好 的抵抗裂缝增长

30、的能力。 正确使用偶联剂 改善表面的处理方法、正确的使用底胶、防 止粘接接头与环境介质接触 l（）粘接接头的热老化机理 l胶粘剂遇热后将产生物理和化学变化 物理：热塑性胶粘剂表现为软化和熔融； 热固性胶粘剂表现为较大的应变。 化学：热分解和热氧化分解 （自催化 （）改善粘接接头热老化性能的途径 提高胶粘剂主体材料的热稳定性 在主链中减少易氧化的化学键和基团 在胶粘剂主体聚合物的主链上，引入脂环、 芳环、杂环或硅、硼等元素 加入各种稳定剂 在胶粘剂的配方中，加入某些能与过渡金 属离子形成稳定络合物的有机化合物。 （）人工加速老化试验法简介 恒温恒湿和恒温水浸试验法 人工气候加速老化试验法 盐雾试

31、验法 高低温周期交变试验法 （）粘接接头使用寿命的估计 革命尚未成功！同志尚需努力！ l.按使用性能要求正确选择胶粘剂; l.正确设计和加工粘接接头; l.被粘接表面的处理; l.施胶和固化; l.固化的粘接接头的加工整理。 l质量易受影响,胶接接头的性能分散性比 较大;粘接质量检验比较困难;胶接工艺 要求严格等 l1、被粘物的种类和性质 l2、胶接接头的使用条件 l a,受力的形式和大小 b,使用温度，c,使用时 间，d,环境和化学介质 l3、工艺条件 l4、成本 l5、其它因素 l.尽量避免应力集中; l .尽量避免粘接面承受剥离、劈裂和 弯曲力; l .合理地增大粘接面积; l .防止粘

32、接层压制品的层间剥离。 l 1.对接;2.角接;3.T型接;4.贴接 (1)平板对接接头的设计 1.简单搭接;2.斜接;3.减小搭接末端的刚度; 4.中间粘接一层柔性层;5.在弯曲处粘接加 强 板; 6.使搭接末端弯曲;7.搭接末端内部削斜 8.单贴接;9.双贴接;10.斜双贴接;11.凸发起 的单搭接;12.半搭接;13.切口半搭接;14.切口 斜接。 (2)棒材对接接头的设计 采用对接，切口斜接等 (3)管材对接接头的设计 根据管壁厚度和受力形式采用多 种形式 4.4.2.2 角接和T形粘接接头的 设计 根据主要负荷形式采用加强方式 l4.4.2.3 平面粘接接头的设计平面粘接接头的设计

33、l柔性材料与刚性材料：防止边缘翘边。柔性材料与刚性材料：防止边缘翘边。 l 4.4.2.4 粘接与其它连接形式混合连接粘接与其它连接形式混合连接 l铆接、点焊、螺接铆接、点焊、螺接 与胶接（常用点焊与胶接）与胶接（常用点焊与胶接） l 接头的可靠性大大提高；接头的可靠性大大提高； l 接头应力分布均匀接头应力分布均匀 l 简化了工艺，简化了工艺， l 减轻了结构重量；减轻了结构重量； l 保证了接头的密封性和平滑的气动表面，保证了接头的密封性和平滑的气动表面， 避免了金属的接触腐蚀；避免了金属的接触腐蚀； l 改善生产条件；改善生产条件； l 降低了成本。降低了成本。 l1 试从胶接工艺过程讨

34、论提高胶接强度 的方法？ l2、反映胶接接头承载能力有哪些基本 形式？各代表什么意义 。 P T t T N 第四章 总结 l总结： 胶粘剂基本性能：传递应力 应力类型：静态和动态力，垂直和平行粘接面 剪切：单搭接，双搭接，拉伸和压缩 剥离、冲击、疲劳、持久强度测试方法。 因应力集中造成了面积与负荷的非线性。 接头的性能除与胶粘剂有关外，还与接头的结构、 力的大小、力的速度、温度、使用环境等有重要 的关系。 环境老化：水、盐雾、氧、光线及其它环境作用 接头设计：力的转化、增加粘接面积和避免应力集 中为主线 AAP A P )( 5.1 5.1 溶液型涂料配伍及固化原理溶液型涂料配伍及固化原理

35、5.2 5.2 乳液型涂料及胶粘剂成膜原理乳液型涂料及胶粘剂成膜原理 5.3 5.3 热熔和塑化型配制原理热熔和塑化型配制原理 5.4 5.4 常见反应型胶粘剂的性能特点及固化原理常见反应型胶粘剂的性能特点及固化原理 5.4.1 5.4.1 从热固性树脂或溶液成膜从热固性树脂或溶液成膜 5.4.2 5.4.2 油脂及醇酸树脂油脂及醇酸树脂 5.4.3 5.4.3 三醛胶三醛胶 5.4.4 5.4.4 单组份瞬干胶（单组份瞬干胶（502502） 5.4.5 5.4.5 厌氧胶厌氧胶 5.4.6 AB5.4.6 AB快固工程胶快固工程胶( (蜜月胶蜜月胶) ) 5.4.7 5.4.7 环氧树脂环氧

36、树脂 5.4.8 5.4.8 硅酮玻璃胶硅酮玻璃胶 5.4.9 5.4.9 聚氨酯聚氨酯 5.4.10 5.4.10 光固化光固化 5.5 5.5 压敏胶压敏胶 5.65.6复合型复合型 类型固化机理举例 溶(乳)液(剂) 型胶粘剂 靠溶剂（或水）的挥发， 由液体逐步变为固体 白乳胶、氯丁胶、天然橡胶、丁苯、丁基胶粘 剂等，聚氯乙烯胶粘剂、糨糊，丙烯酸外墙涂 料、苯丙乳液、硝基漆、醇酸漆、氯磺化聚乙 烯等。涂料点比重大，胶粘剂较少采用。 塑化 由高聚物吸收增塑剂后 成为固体 PVC糊树脂，类型较小。在汽车上用量较大。 热熔 靠温度的变化，固体 熔体固体 聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)

37、、聚 酰胺、聚酯、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物、热 熔压敏胶、粉沫涂料 反应型 由低分子量的单体或预 聚物，相互反应交联形 成固体 双组分胶（环氧、酚醛、脲醛、不饱和聚酯）、 厌氧胶（反应型丙烯酸酯）、光固化胶及湿固 化胶（聚氨酯和氰基丙烯酸酯）；水晶漆、粉 沫涂料、绝缘漆、桐油清漆、光固化涂料、自 交联 压敏胶 靠弹性体的粘弹性及增 粘剂等分子的浸润性及 压力作用形成接头 SIS，SBS热熔压敏胶，丁苯、丁基橡胶压敏胶， 有机硅、丙烯酸酯类、聚氨酯压敏胶，反应型 压敏胶 l5.1.1 组成和作用组成和作用 l5.1.2 涂料的成膜和胶粘剂的固化涂料的成膜和胶粘剂的固化 l5.1.3 溶剂的作用及

38、挥发溶剂的作用及挥发 l5.1.4 成膜过程的流动成膜过程的流动(表面畸变表面畸变) l5.1.5 常用的类型常用的类型 成膜物质，主体树脂: (30-50%) 溶剂或分散剂 (30-50%) 颜料、填料 ( 4 -25%) 助剂 ( 2-5%) l1 成膜物质、主体树脂 油脂、天然或合成树脂、反性稀释剂等，是聚合 物或可生成聚合物的单体、低聚物等。是粘料 构成涂料的基础，决定着涂层的基本特性 l2 溶剂或分散剂 分散介质，改善施工和涂膜的某些性能。平时， 常将成膜物质和分散介质的混合物称为漆料。 3 颜料和填料 着色、改善涂膜性能、增加涂膜的保护、 装饰防锈，增加功能，降低成本 助剂 催干剂

39、、流平剂、防结皮剂、防沉剂、 防老剂、防霉剂、固化剂、促进剂、 增塑剂、缓释剂、除锈剂、发泡剂、 消泡剂、光敏剂、增粘剂、偶联剂 胶粘剂 组成，同涂料基本相同。因性能要求 差异，各组份比例不同 l成膜：施工后，液体转化为“干燥”的膜，即固体膜 l固化：由液体变为固体的过程。 主要指固定被粘物，形成接头过程。 l类型： 非转化型：热塑性丙烯酸酯、PU、纤维素、乙烯 类、橡胶类(SBS,氯丁,天然)，PPO，PES， 转化型：环氧、聚酯、PU、丙烯酸酯、有机硅 高分子混合液 “干燥”：表面无粘性指干,自粘性表示。 规定在指定的压力和时间下，流动不超过指定 程度所需的最低粘度。 指干：103PaS；

40、 不粘连：107PaS 137.29kPa(20psi)的压力下2秒钟 l粘度与温度的关系 Ln =27.6 A(T-Tg)/(B+T-Tg) (WLF式) Ln=lnA+Ev/RT (Arrhenius 式) l浓溶液粘度 Ln r=Wr/(k1-k2Wr+k3 Wr2) 1/Tg=Ws/Tgs+Wr/Tgr+kWRWs (S:溶剂，R：树脂,W:重量份数） lWLF公式(热塑性树脂): l使用WLF公式，能估计 涂膜触指干 粘度为103Pas，(TTg) 54 在25下，触指干涂膜的 Tg为-29 l25，137.29kPa下2秒 钟，即粘度为107Pas)的 Tg值为4. 0204060

41、80100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ln n T-Tg l用氯乙烯，乙酸乙烯和羟官能单体的共聚物， Mn为23000，据报道可用不经交联给出有良 好机械性能的涂料来说明。共聚物的Tg为 79 l溶剂蒸发第一阶段：蒸发速率与聚合物无关。 蒸发速率取决于该温度的蒸气压，表面积 体积比和表面上空气的流速。 l第二阶段：随着溶剂蒸发，粘度增加，Tg增 加，自由体积减少，溶剂损失速率成为取决 于溶剂分子能如何快地扩散到涂膜表面，致 使蒸发溶剂分子必须不断从一个自由体积空 穴跳到另一个自由体积空穴，以达到表面。 随着溶剂的继续损失，Tg增加，自由体积更 少，溶剂损失就慢下来

42、。 l如果涂膜是从聚合物溶液在25C形成的， 溶剂蒸发完后，Tg大于25C(此例子为 79C)，涂膜即使是硬的“干”膜，仍留 有相当量的溶剂。溶剂缓慢地离开这样 的膜，但是，实验已证明在室温几年后 仍残留23的溶剂。为了确保在合 理时间内基本上完全除尽溶剂，需要在 一个明显地高于无溶剂聚合物的Tg温度 下烘烤。 l为了涂膜性能所需的分子链就达到一定 的长度，因分子量较大，要求一定的粘 度和施工性能时，就要求高溶剂含量约 8090(体积)等级。基于较低分子 量热固性树脂的涂料需要溶剂较少，但 满足不了使用性能要求。 l解决方法：嵌段共聚物 l室温交联法 l5.1.3.1 溶剂的作用 降低粘度，控

43、制粘度变动,影响爆孔、流挂和流 平，附着、防蚀和户外耐久性 树脂的溶剂或非溶剂 挥发有机物（VOC）称为溶剂，不管它是否能 溶解树脂。 脂肪烃、脂环烃：石脑油 ，溶剂油，松香水 芳香烃：甲苯、二甲苯和高闪点芳烃油 酮、酯：甲基乙基酮(MEK)和甲基异丁基酮 ， 异佛尔酮，丙二醇甲醚醋酸酯和乙二醇 丁醚醋酸酯，丁酮 醚：乙二醇乙醚 、乙二醇单丁醚、丙二醇丙醚、 一缩乙二醇单丁醚 醇：甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇 和异丁醇、异辛醇 、环已醇 l5.1.3.2 挥发速度 l挥发物从漆膜中挥发速度不但影响干燥时间，还影响 到最终漆膜的外观和物理性质。与涂料领域中许多课 题一样，挥发速度粗看简单，

44、实则复杂。 l影响因素：温度、蒸气压、表面与体积之比和流过表 面的空气流速。水的挥发还受相对湿度的影响 l苯的沸点是80,乙醇是78，但在25C，它们的蒸气 压各为1.3kPa和0.79kPa。因而在25C同一条件下，苯 比乙醇挥发快。相似地，在25醋酸正丁酯(沸点 126)挥发得比正丁醇(沸点118)快 l相对挥发速度E：溶剂的挥发速度与醋酸正丁酯的比 较 lEt90%(醋酸丁酯）/t90%（溶剂样品） 式中t90%是样品在给定仪器中于控制条件下挥发90质 量所需的时间。 Shell薄膜挥发测定仪：相对湿度小于5的25空气以 21Lmin速度保持流动。将0.70mL样品溶剂展布天 平秤盘的滤

45、纸上，测定挥发掉90样品所需的时间 l5.1.3.3 混合溶剂的挥发 l ET=(cE)1+ (cE)2+ (cE)n lC为溶剂的体积份数,活度系数,E相对挥发速度. l拉乌尔定律 l5.1.3.4 溶剂从漆膜的挥发 开始:溶剂从树脂溶液挥发的速度与纯溶剂相近. 后期:粘度增高，自由体积减小，溶剂的挥发 开始决定于溶剂穿过漆膜到达表面的扩散速度，而不是决定于从表 面的挥发 挥发速度控制转变为扩散速率控制的固体含量水平范围较宽，但常 在40一60 l小分子比大分子挥发速度快 甲苯与环已烷,纯溶剂挥发率与残留量相反 l在干膜段线型分子比支化分子快 如醋酸丁酯与醋酸异丁酯 l 5.1.3.5 溶剂

46、从高固体涂料中的挥发 目的，降低VOC含量（2040，同 常规的60相比） 方法：降低M，选择溶剂 l 5.1.3.6 水性涂料的挥发物逸出 湿度影响和成膜助剂挥发 l 5.1.3.7 粘度的影响 l5.1.3.8 易燃性 l5.1.3.9 毒害 l在1990年美国的国会订立某些常用 溶剂为危险空气污染物(HAP)，限 制其用量，几乎所有溶剂均被美国 环境保护署EPA)列为光化学活性的 挥发性有机化合物(VOC) 。 l急性毒害数据，8小时长期暴露安 全水平，低水平长期暴露水平。 l其中包括MEK，MIBK,甲苯，二甲苯， 甲醇，乙二醇，乙二醇醚。 lBenard Cell l从协同学理论.在

47、一个平衡体系,当有小 的扰动,则打破平衡,形成新的亚稳态体 系.为达到能量最低,形成一个自组织过 程,熵增加,形成一个有规流动,待胶膜固 定时,就形成了高低不平的外观. l自然界现象:云团形成 石林 峰窝 l 漆膜:发花,橘皮,锤纹漆 l 胶粘剂:压敏胶,流延法形成胶膜. l成因:表面张力不均匀形成 l流平性:表面张力较低的物质. l类型： 非转化型：热塑性丙烯酸酯、PU、纤维 素、乙烯类、橡胶类，PPO，PES， 转化型：环氧、聚酯、PU、丙烯酸酯、 有机硅 l以硝化棉为主要原料，以酮，酯，醇等 为溶剂。含量20-30%，一般为清漆。 l硬度大，溶解性与硝化度有关。 l易着火。 l用于家俱

48、l丙烯酸酯共聚物 l性能可调整性大，耐老化和黄变，附着 力优良。 l溶剂：酮，酯类溶剂。 l木器面漆，设备，飞机和军用设施。 l胶粘剂：覆膜胶，装饰，压敏胶， PMMA粘接。 l耐老化和黄变，附着力优良，防腐，阻 燃。 l溶剂：酮，酯类溶剂，苯类。 l金属防腐漆。 l胶粘剂：PVC，电池密封，地板，钉子 生产。 l丙烯腈- -丁二烯-苯乙烯，甲基丙烯酸甲 酯 -丁二烯-苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯 l塑料直接溶解 l耐老化和黄变，附着力优良。 l溶剂：酮，酯类溶剂。 l胶粘剂：ABS，PVC。 l聚氨酯甲酸酯（由多元醇和异氰酸酯） l强度高，初粘力大，耐高低温，对极性 材料粘接力好，耐磨，不耐黄变

49、和酸碱 l溶剂：酮，氯代烃 l用于皮革的粘接，在鞋，箱包的生产中 应用 l家俱漆，水晶漆。 聚氨酯合成 OCN-R-NCO+HO-R1-OH 聚酯，聚醚多元醇 分子量控制 NCO结构影响 扩链剂 催化剂 l天然橡胶，SBS，SIS，SEBS，氯丁橡 胶，丁苯橡胶 l用于接触型胶粘剂，弹性好，耐老化性 差 l增粘剂：萜烯，酚醛，松香，石油树脂 l溶剂：汽油，苯，环已烷，氯代烃 l抗氧剂 l柔性材料粘接（皮革，织物），装饰材 料，表皮改性 l氯丁： lSBS： l乳胶漆:合成树脂乳胶漆的简称:合成树 脂乳液,使颜料、填料和助剂分散其中。 l乳白胶，白乳胶： l双重非均相分散系统。 乳胶本身不溶于分

50、散剂 通过表面活性剂而稳定 乳胶粒子在微米级，大 于可见光长度，出现反 射，拆射 外观为乳白色 粘度较小 l乳液 l101618个/cm3 通过乳化剂而稳定 亲油亲油 基团基团 亲水亲水 基团基团 体系粘度：体系粘度： Ln=lne+KEVi/(1-Vi/) 式中 e是连续或外相的粘度，KE是形状常 数，Vi是内相体积分数，是堆砌系数 l成膜过程:水和水溶性溶剂的蒸发导致乳液粒 子的密积层；粒子以其外壳的形变导致或多 或少的连续，但是软弱的膜；经过一个较慢 凝结的过程，此时聚合物分子相互扩散，跨 越粒子边界并缠卷增强薄膜。 l扩散厚度:只需相互扩散到一个分子回转半径 的距离就能形成最高的膜强度

51、. l最低成膜温度:对一个特定乳液，发生足够的 聚结形成连续膜的最低温度 (MFFT或MFT)。 MFFT是将样品放在有温度梯度的金属条上测 量的。决定于Tg. 凝聚过程示意图 关键步骤 l室温固化难点: l 如果能够表面粘连,T-Tg4, l 为保证性能则要求Tg-T50 . l解决方法: l成膜助剂(增塑剂):较为有效的是丙二醇 单丁醚乙酸酯(PnBA)。一缩丙二醇二甲 醚比PnBA离开涂膜快，但用量需稍多。 广泛使用的成膜助剂Texanol是异戊酸2， 2，4三甲基戊烷1，3二醇酯。 l挥发速度较慢. l乳液由电荷排斥和熵排斥而稳定化 l表面积降低造成的驱动力必定很大。毛 细管压力也是成

52、膜的主要驱动应力。 l主要成膜物质主要成膜物质-基料基料 基料是涂料中最重要的组份，是建筑涂料中的主要基料是涂料中最重要的组份，是建筑涂料中的主要 成膜物质成膜物质, ,对涂料的涂膜的性能起主导作用对涂料的涂膜的性能起主导作用, 也称胶也称胶 粘剂。它的作用是将涂料中的其他组分粘结成一整粘剂。它的作用是将涂料中的其他组分粘结成一整 体，当涂料干燥硬化后，能附着在被涂基层表面形体，当涂料干燥硬化后，能附着在被涂基层表面形 成均匀的连续而坚韧的保护膜。基料的性质对形成成均匀的连续而坚韧的保护膜。基料的性质对形成 的涂膜的硬度、柔韧性、耐磨性、耐冲击性、耐候的涂膜的硬度、柔韧性、耐磨性、耐冲击性、耐

53、候 性、耐水性、耐热性等物理、化学性质起了决定性性、耐水性、耐热性等物理、化学性质起了决定性 的作用。的作用。 l 具有较好的耐碱性具有较好的耐碱性 能常温成膜能常温成膜 具有较好的耐水性具有较好的耐水性 具有较好的耐候性具有较好的耐候性 p 成膜助剂及作用成膜助剂及作用 乳胶漆中常用的大多为热塑性乳液，其聚合乳胶漆中常用的大多为热塑性乳液，其聚合 物的物的tgtg值在值在1010一一25C25C之间，远不能满足建筑涂料施之间，远不能满足建筑涂料施 工季节变化的需要。为了克服上述缺点，一般要工季节变化的需要。为了克服上述缺点，一般要 求乳液能在求乳液能在55环境下成膜。为使乳胶漆既能在较环境下

54、成膜。为使乳胶漆既能在较 低气温下融结成膜，而又不使涂膜过于柔软，需低气温下融结成膜，而又不使涂膜过于柔软，需 要加入一种成膜助剂，在成膜时起增塑剂的作用，要加入一种成膜助剂，在成膜时起增塑剂的作用， 帮助成膜。成膜后即迅速蒸发或挥发，使涂膜的帮助成膜。成膜后即迅速蒸发或挥发，使涂膜的 机械性能和硬度恢复到原来水平。机械性能和硬度恢复到原来水平。 常用的成膜助剂有：乙二醇、丙二醇、丙二常用的成膜助剂有：乙二醇、丙二醇、丙二 醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、十二碳酯醇醇乙醚、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、十二碳酯醇 等等。 l颜填料颜填料 l 颜料作用颜料作用 颜料在建筑涂料中，不仅能使涂层具有一定的

55、遮颜料在建筑涂料中，不仅能使涂层具有一定的遮 盖能力，增加涂层色彩，而且还能增强涂膜本盖能力，增加涂层色彩，而且还能增强涂膜本 身强度。颜料还有防止紫外线穿透作用，从而身强度。颜料还有防止紫外线穿透作用，从而 可以提高涂层的耐老化性、耐候性可以提高涂层的耐老化性、耐候性 涂料中常用的颜料应具有以下特点：涂料中常用的颜料应具有以下特点： 耐碱性良好耐碱性良好 具有较好的耐候性具有较好的耐候性 有较好的着色力及遮盖力有较好的着色力及遮盖力 易分散易分散 有适度的耐化学腐蚀性有适度的耐化学腐蚀性 资源丰富，价格便宜资源丰富，价格便宜 化学组成：有机颜料和无机颜料两大类化学组成：有机颜料和无机颜料两大类 无机颜料主要品种如下： 黄色颜料:氧化铁黄、中铬黄、柠檬黄等 红色颜料:氧化铁红 黑色颜料:氧化铁黑 蓝色颜料:群青 绿色颜料:氧化铁绿、氧化铬绿 黑色颜料:炭黑、氧化铁黑 棕色颜料:氧化铁棕 耐磨性、 降低涂料成本， 增加粘度