(完整版)3.2胶接界面化学(胶粘剂与涂料)

1、1木材料科学与技术本科专业基础课木材料科学与技术本科专业基础课胶粘剂与涂料胶粘剂与涂料材料科学与艺术设计学院材料科学与艺术设计学院2016年年3月月木材料科学与技术本科专业专业基础课木材料科学与技术本科专业专业基础课材料科学与艺术设计学院材料科学与艺术设计学院2016年年3月月3本章主要内容本章主要内容胶接界面化学胶接界面化学影响胶接强度的因素影响胶接强度的因素胶接结构的耐久性胶接结构的耐久性胶粘剂的基本条件胶粘剂的基本条件木材胶粘剂的选择木材胶粘剂的选择4$3.1.1 3.1.1 胶接的主要过程胶接的主要过程3-1 3-1 胶接界面化学胶接界面化学胶粘剂的液化：胶粘剂的液化：因为胶粘剂要浸润

2、到固本间的空隙因为胶粘剂要浸润到固本间的空隙中，故它必须是可自由改变形状的液体。因此，可用中，故它必须是可自由改变形状的液体。因此，可用单体或预聚物、溶液或乳液、熔融聚合物。单体或预聚物、溶液或乳液、熔融聚合物。流动流动：这是胶粘剂浸透到固体间并嵌入空隙中的过：这是胶粘剂浸透到固体间并嵌入空隙中的过程。在此关系到胶粘剂粘性等流变学的性质。程。在此关系到胶粘剂粘性等流变学的性质。润湿：润湿：为了使胶粘剂能够浸润固体空隙，并润湿固为了使胶粘剂能够浸润固体空隙，并润湿固体表面，胶粘剂对固体的接触角必须要在体表面，胶粘剂对固体的接触角必须要在9090以下。以下。5l扩散、粘接、吸附：扩散、粘接、吸附：

3、这个过程是与润湿平行发生这个过程是与润湿平行发生的，它按照在多成分系高分子中，链段是通过界的，它按照在多成分系高分子中，链段是通过界面自由能变成最小来吸附和取向的规则形成胶接面自由能变成最小来吸附和取向的规则形成胶接层结构的。层结构的。l固化：固化：由于聚合、溶剂的挥发、冷却等作用，胶由于聚合、溶剂的挥发、冷却等作用，胶粘剂固化后形成所需强度的过程。粘剂固化后形成所需强度的过程。l粘接体系的变形和破坏：粘接体系的变形和破坏：这是在实际使用直至破这是在实际使用直至破坏的过程。坏的过程。 6 因此，对于有机高分子等低表面能固体来讲，因此，对于有机高分子等低表面能固体来讲， s = sv，则，则 s

4、 = sl + lv cos （31）l当当 =180，cos = 1，表示胶液完全不能浸润被，表示胶液完全不能浸润被胶接固体的状态，不可能。胶接固体的状态，不可能。l当当 = 0，cos = 1，代表完全浸润状态。当体系，代表完全浸润状态。当体系接近完全浸润状态时，式接近完全浸润状态时，式（31）可表示为可表示为 s （ sl + lv ）0 设设 = s （ sl + lv ），并称，并称 为铺展系数。用于为铺展系数。用于描述浸润特性。描述浸润特性。7$3.1.2 3.1.2 固体表面上液体的平衡固体表面上液体的平衡sl sv lv 液滴图图11 液体在固体表面上的浸润状态液体在固体表面上

5、的浸润状态 sv = lv cos + sl s = sv +式中：式中： sv 固固/气界面张力；气界面张力； lv 液液/气界面张力；气界面张力； sl 固固/液界面张力；液界面张力； s 在真空状态下固体在真空状态下固体的表面张力；的表面张力； 吸附于固体表面的气体膜吸附于固体表面的气体膜压力，也称吸附自由能。对于有机压力，也称吸附自由能。对于有机高分子等低表面能固体，可以忽略高分子等低表面能固体，可以忽略不计。不计。young公式公式8l对于一般有机物的液对于一般有机物的液/固体系，固体系， sl可忽略不计，则有可忽略不计，则有 s lvl胶接体系只有满足上述条件，才有可能出现胶接体系

6、只有满足上述条件，才有可能出现cos = 1，从而获得形成良好胶接接头的必要条件，即是选择胶从而获得形成良好胶接接头的必要条件，即是选择胶粘剂时的必要条件，即被胶接物表面能大于或等于胶粘剂时的必要条件，即被胶接物表面能大于或等于胶粘剂的表面能。粘剂的表面能。l实际上实际上 lv 和和cos 是可以通过实验测定，而是可以通过实验测定，而 s 和和 sl的的测定是非常困难的，可通过临界表面张力来解决。测定是非常困难的，可通过临界表面张力来解决。 9a. 对胶接体完全浸润状态对胶接体完全浸润状态b. 对胶接体完全不能浸润状态对胶接体完全不能浸润状态图图 液体胶粘剂对被胶接体的浸润状态液体胶粘剂对被胶

7、接体的浸润状态103-2 影响胶接强度的因素影响胶接强度的因素(一一)与界面相关的因素与界面相关的因素湿润湿润接触角接触角被胶接体的临界表面张力被胶接体的临界表面张力和胶粘剂的表面张力的关系和胶粘剂的表面张力的关系胶接张力胶接张力胶接功胶接功扩散系数扩散系数界面张力界面张力溶解度参数溶解度参数固化后的胶粘剂和被胶接固化后的胶粘剂和被胶接材的临界表面张力的关系等材的临界表面张力的关系等 影响胶接力产生的因素影响胶接力产生的因素11(二二)与胶粘剂相关的因素与胶粘剂相关的因素化学构造化学构造分子量及分子量分布分子量及分子量分布固体含量固体含量流动性流动性粘附力粘附力粘弹性粘弹性内聚力内聚力延伸率延

8、伸率固化方法固化方法固化温度固化温度表面张力等表面张力等 12(三三)与胶接材料相关的因素与胶接材料相关的因素木材的组织构造木材的组织构造密度密度强度强度含水率含水率表面张力表面张力表面粗糙度表面粗糙度纹理纹理纤维方向纤维方向抽提物抽提物早晚材及边心材的物早晚材及边心材的物理化学差异理化学差异胶接面的吸附污染等胶接面的吸附污染等 13(四四)与胶接工艺相关的因素与胶接工艺相关的因素涂胶量涂胶量陈化时间陈化时间加压压力加压压力加压时间加压时间胶接温度等胶接温度等 14被胶接物的被胶接物的表面状态表面状态弱界面层弱界面层内应力内应力交联度交联度极性极性分子量及分分子量及分子量分布子量分布胶粘剂的胶

9、粘剂的固化固化胶层厚度胶层厚度木材比重木材比重纤维方向纤维方向抽提成分抽提成分影响胶接强度的因素影响胶接强度的因素15 表面粗糙度：表面粗糙度：是产生机械胶接力的源泉，机械胶接力是是产生机械胶接力的源泉，机械胶接力是通过湿润和吸附作用而得到的。通过湿润和吸附作用而得到的。粗糙度系数粗糙度系数r ，有效胶接面积，有效胶接面积 ，胶接强度，胶接强度 ，但随后，但随后r的的 ，胶接强度反而，胶接强度反而其它因素：其它因素：加压、表面润湿难易程度、材料比重。加压、表面润湿难易程度、材料比重。 木材表面纤维横断面的形状：木材表面纤维横断面的形状：是产生机械胶接力的源泉，是产生机械胶接力的源泉，机械胶接力

10、是通过湿润和吸附作用而得到的。机械胶接力是通过湿润和吸附作用而得到的。16 当被胶接的材料、胶粘剂及环境中的低分子物当被胶接的材料、胶粘剂及环境中的低分子物或杂质等，通过渗析、吸附及聚集等过程，在部分或杂质等，通过渗析、吸附及聚集等过程，在部分或全部界面内产生这些低分子物的富集区，这就是或全部界面内产生这些低分子物的富集区，这就是弱界面层弱界面层。胶接力在外力作用下的破坏，必然发生。胶接力在外力作用下的破坏，必然发生于弱界面层，这就是胶接破坏中的界面破坏，并使于弱界面层，这就是胶接破坏中的界面破坏，并使胶接强度严重下降的原因。胶接强度严重下降的原因。17 胶粘剂与被胶接材料间的胶接力主要来源于

11、物理吸胶粘剂与被胶接材料间的胶接力主要来源于物理吸附作用；附作用； 低分子物在胶粘剂与被胶接材料中有渗析行为，通低分子物在胶粘剂与被胶接材料中有渗析行为，通过渗析作用低分子物迁移界面形成富集区；过渗析作用低分子物迁移界面形成富集区； 低分子物对被胶接物的表面有比胶粘剂分子更强的低分子物对被胶接物的表面有比胶粘剂分子更强的吸附力，使被胶接物的表面产生新的吸附平衡，并形吸附力，使被胶接物的表面产生新的吸附平衡，并形成低分子吸附层，对胶粘剂分子起了解吸作用。成低分子吸附层，对胶粘剂分子起了解吸作用。18（1 1）胶粘剂的固化或硬化过程中体积的收缩；胶粘剂的固化或硬化过程中体积的收缩；（2 2）胶粘剂

12、与被胶接材料的热膨胀系数不同，在温度变化时胶粘剂与被胶接材料的热膨胀系数不同，在温度变化时产生内应力；产生内应力；（3 3）被胶接材料的各向异性，在水分变化时，由于收缩膨胀被胶接材料的各向异性，在水分变化时，由于收缩膨胀的不同产生内应力；的不同产生内应力；（4 4）比重不同的被胶接材料，其体积的收缩膨胀有差异，在比重不同的被胶接材料，其体积的收缩膨胀有差异，在大面积胶接中产生较大的内应力。大面积胶接中产生较大的内应力。 胶层含水率梯度胶层含水率梯度 邻近木材层含水率梯度邻近木材层含水率梯度 胶层酸或碱浓度梯度胶层酸或碱浓度梯度19 降低官能团浓度降低官能团浓度 加入高聚物增韧剂加入高聚物增韧剂

13、 加填充剂（填料）加填充剂（填料） 较低的固化温度较低的固化温度 模量低、延伸率高的胶模量低、延伸率高的胶20交联度（即交联密度）交联度（即交联密度）胶粘剂的内聚强度胶粘剂的内聚强度交联点数目的增加交联点数目的增加交联间距变短交联间距变短交联分子长度变短交联分子长度变短21一般来说，随着胶粘剂极性的增强（或极性基团一般来说，随着胶粘剂极性的增强（或极性基团的增多），胶接强度在开始时会增加，但到了一的增多），胶接强度在开始时会增加，但到了一定程度后，增加极性基团，胶粘剂的内聚强度增定程度后，增加极性基团，胶粘剂的内聚强度增大，胶粘剂不易流动，从而对被胶接材料湿润不大，胶粘剂不易流动，从而对被胶接

14、材料湿润不良，胶接强度下降。良，胶接强度下降。22debruyne认为：认为：232425固化？固化？硬化？硬化？2627注意事项注意事项28关键：形成连续胶膜关键：形成连续胶膜一般认为获得最好的胶接强度和刚性，胶层的一般认为获得最好的胶接强度和刚性，胶层的厚度在胶层不缺胶的情况下，应尽量地薄！厚度在胶层不缺胶的情况下，应尽量地薄！ why？29l薄胶层变形需要的力比厚胶层大；薄胶层变形需要的力比厚胶层大；l随着胶层厚度的增加，流变或蠕变的几率变大；随着胶层厚度的增加，流变或蠕变的几率变大；l胶层越厚，由膨胀差引起的界面内应力与热应力大；胶层越厚，由膨胀差引起的界面内应力与热应力大；l坚硬的胶

15、粘剂，胶接界面在弯曲应力作用下，薄胶层坚硬的胶粘剂，胶接界面在弯曲应力作用下，薄胶层的断裂强度比厚胶层的高；的断裂强度比厚胶层的高；l胶层越厚，气泡及其它缺陷的数量增加，早期破坏的胶层越厚，气泡及其它缺陷的数量增加，早期破坏的几率增加。几率增加。30uf胶接阔叶材：胶接阔叶材：木材比重木材比重0.8时，胶接强度与比重几时，胶接强度与比重几乎无关。乎无关。间苯二酚甲醛树脂胶接所有针、阔叶材：胶接强度间苯二酚甲醛树脂胶接所有针、阔叶材：胶接强度随木材比重的增加而提高。随木材比重的增加而提高。31一般来说，纤维方向的角度越大，胶接强度越低，一般来说，纤维方向的角度越大，胶接强度越低，如用如用pf胶接

16、时，木材纤维方向互相垂直的胶接强胶接时，木材纤维方向互相垂直的胶接强度仅是纤维互相平行的度仅是纤维互相平行的1/4。海田金松实验式：。海田金松实验式：22cossinpqpnp-p-纤维方向互相平行的胶接强度纤维方向互相平行的胶接强度q-q-纤维互相垂直的胶接强度纤维互相垂直的胶接强度n-n-纤维互成纤维互成角度的胶接强度角度的胶接强度 323.3 3.3 胶接结构的耐久性胶接结构的耐久性胶接界面粘附胶接界面粘附作用的耐久性作用的耐久性胶层耐久性胶层耐久性被胶接材料的被胶接材料的耐久性耐久性33木材抽提成分对胶粘剂的湿润、渗透、固化等过程木材抽提成分对胶粘剂的湿润、渗透、固化等过程都会产生复杂

17、的影响。一般来说，抽提成分多的木都会产生复杂的影响。一般来说，抽提成分多的木材，难以充分被胶粘剂所湿润，胶接强度就差。材，难以充分被胶粘剂所湿润，胶接强度就差。措施：措施：可预先对木材进行物理或化学的处理，除去可预先对木材进行物理或化学的处理，除去抽提成分，从而改善湿润状况，提高胶接强度。抽提成分，从而改善湿润状况，提高胶接强度。343.3.1 3.3.1 水分的作用水分的作用 体积小、极性强的水分子很容易沿着亲水物质体积小、极性强的水分子很容易沿着亲水物质向胶接界面渗透，破坏界面的氢键，从而减弱胶粘向胶接界面渗透，破坏界面的氢键，从而减弱胶粘剂分子与被胶接材料表面间的作用力，导致胶接强剂分子

18、与被胶接材料表面间的作用力，导致胶接强度下降。即界面解吸理论。度下降。即界面解吸理论。（对胶接界面的作用）（对胶接界面的作用）35增塑作用：水分子破坏胶粘剂分子间的氢键和其它增塑作用：水分子破坏胶粘剂分子间的氢键和其它次价键，对胶粘剂产生增塑作用，从而降低胶粘剂次价键，对胶粘剂产生增塑作用，从而降低胶粘剂的力学性能和物理性能。的力学性能和物理性能。降解作用：胶粘剂的化学键被水解，引起胶粘剂的降解作用：胶粘剂的化学键被水解，引起胶粘剂的降解。如蛋白胶、降解。如蛋白胶、ufuf胶等的水解胶等的水解363.3.2 3.3.2 热氧化作用热氧化作用升高温度，胶粘剂的热氧化加速，胶接强度下降的升高温度，

19、胶粘剂的热氧化加速，胶接强度下降的速度随之加快，尤其是在氧气存在条件下，降解与速度随之加快，尤其是在氧气存在条件下，降解与交联反应更快。交联反应更快。通常，有机高聚物胶粘剂的热氧化分解温度比热分通常，有机高聚物胶粘剂的热氧化分解温度比热分解温度低解温度低50-100度左右。因此，在热氧化作用下，度左右。因此，在热氧化作用下，胶接耐久性就会更差。胶接耐久性就会更差。37l胶粘剂的热稳定性与其所含化学键的键能关系很大，胶粘剂的热稳定性与其所含化学键的键能关系很大，故应尽量在高聚物分子主链中减少或避免易氧化的故应尽量在高聚物分子主链中减少或避免易氧化的化学键和基团，如将化学键和基团，如将脂环、芳香环

20、或一些杂环脂环、芳香环或一些杂环引入引入到高聚物胶粘剂的分子主链上，是改进胶粘剂热稳到高聚物胶粘剂的分子主链上，是改进胶粘剂热稳定性的主要途径。定性的主要途径。酚醛树脂酚醛树脂环氧树脂环氧树脂383.3.3 3.3.3 应力作用应力作用l由于木材是各向异性的多孔性材料，其胶接结构的由于木材是各向异性的多孔性材料，其胶接结构的吸水或排水都会引起膨胀或收缩，从而产生收缩或吸水或排水都会引起膨胀或收缩，从而产生收缩或膨胀应力；此外，在环境温度变化的情况下，也会膨胀应力；此外，在环境温度变化的情况下，也会产生热应力。所有这些应力的存在都会使胶接结构产生热应力。所有这些应力的存在都会使胶接结构的耐久性降

21、低。的耐久性降低。l应力的存在会加速湿热老化和热老化。应力的存在会加速湿热老化和热老化。内应力内应力外应力外应力39热固性酚醛树脂、苯酚热固性酚醛树脂、苯酚- -间苯二酚甲醛树脂、间苯二酚甲醛树脂、胺基酚醛树脂胺基酚醛树脂 聚醋酸乙烯乳液聚醋酸乙烯乳液 三聚氰胺甲醛树脂、血粉胶、环氧树脂三聚氰胺甲醛树脂、血粉胶、环氧树脂 三聚氰胺尿素甲醛树脂三聚氰胺尿素甲醛树脂 脲醛树脂、脲醛树脂、大豆蛋白胶、干酪素胶大豆蛋白胶、干酪素胶403.4 3.4 胶胶 接接 破破 坏坏3.4.1 3.4.1 胶接破坏原理胶接破坏原理固体固体内应力内应力外应力外应力固体固体破坏！破坏！413.4.2 3.4.2 胶接

22、破坏类型胶接破坏类型423.5 3.5 胶粘剂的基本条件胶粘剂的基本条件3.5.1 3.5.1 胶粘剂的湿润性胶粘剂的湿润性湿润性：湿润性：液体对固体的亲和性，一般用液体对固体液体对固体的亲和性，一般用液体对固体表面的接触角（表面的接触角（）来表示。一般情况下，两者间的）来表示。一般情况下，两者间的接触角越小，固体就容易被液体湿润，其胶接强度接触角越小，固体就容易被液体湿润，其胶接强度就越高。就越高。胶粘剂的湿润性是吸附和扩散的前提条件，也是达胶粘剂的湿润性是吸附和扩散的前提条件，也是达到良好胶接的必要条件。到良好胶接的必要条件。43l胶粘剂的湿润性是由热力学条件和动力学条胶粘剂的湿润性是由热

23、力学条件和动力学条件所决定的件所决定的。l胶粘剂对被胶接材料表面的湿润状况与胶粘胶粘剂对被胶接材料表面的湿润状况与胶粘剂的性质、被胶接材料表面的结构与状态及剂的性质、被胶接材料表面的结构与状态及胶接过程中的工作条件等因素密切相关。胶接过程中的工作条件等因素密切相关。44胶粘剂表面张力胶粘剂表面张力酸固化酚醛树脂脲醛树脂苯酚-间苯二酚树脂环氧树脂（通用型）78714847动物胶聚醋酸乙烯乳液环氧树脂433830表表1-11-1：胶粘剂的表面张力值（：胶粘剂的表面张力值（mn/mmn/m）胶粘剂接触角值 脲醛树脂水溶性酚醛树脂醇溶性酚醛树脂25-3550-6040-50表表1-21-2：胶粘剂接触

24、角（：胶粘剂接触角（）453.5.2 3.5.2 分子量与分子量分布分子量与分子量分布 分子量是很重要的参数，它对胶接结构的一系分子量是很重要的参数，它对胶接结构的一系列性能起着决定性的作用。分子量应在适度范围内为列性能起着决定性的作用。分子量应在适度范围内为宜，如宜，如uf的分子量以的分子量以400-600为好。为好。分子量分布：分子量分布：即使分子量相同，而分子量的分布不同，即使分子量相同，而分子量的分布不同，其胶粘剂的性能也会有较大的差别。其胶粘剂的性能也会有较大的差别。463.5.3 3.5.3 胶粘剂的胶粘剂的phph值值 胶粘剂的胶粘剂的ph值与胶粘剂的固化时间、适用期以值与胶粘剂

25、的固化时间、适用期以及胶层的及胶层的ph值等密切相关，其最终也影响到胶接强值等密切相关，其最终也影响到胶接强度和耐久性。如强酸或强碱都会使被胶接材料发生降度和耐久性。如强酸或强碱都会使被胶接材料发生降解。解。在生产实际中，必须注意胶粘剂的在生产实际中，必须注意胶粘剂的ph值与被胶接材值与被胶接材料料ph值之间的配合（值之间的配合（如桉树与如桉树与uf胶胶）。）。473.5.4 3.5.4 胶粘剂的极性胶粘剂的极性 胶粘剂的极性在一定程度内可有助于胶接强胶粘剂的极性在一定程度内可有助于胶接强度的提高，但过多地强调胶粘剂的极性，反而会度的提高，但过多地强调胶粘剂的极性，反而会降低胶接强度，这是因为

26、胶粘剂的极性过强会妨降低胶接强度，这是因为胶粘剂的极性过强会妨碍湿润过程的进行。碍湿润过程的进行。纤维素、木材、酚醛树脂、脲纤维素、木材、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂、甘油、水、醛树脂、聚酯树脂、甘油、水、玻璃、金属氧化物等玻璃、金属氧化物等橡胶、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、橡胶、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、石蜡、金属、醚、苯等尼龙、石蜡、金属、醚、苯等483.6 3.6 木材胶粘剂合理选择木材胶粘剂合理选择3.6.1 3.6.1 按木材胶接制品的要求选择按木材胶接制品的要求选择 胶接强度和耐水性胶接强度和耐水性（1 1）胶接强度：胶接强度：使胶接件中胶粘剂与被胶接物界使胶接件中胶粘剂与被胶接物界面

27、或邻近处发生破坏所需要的应力。胶接制品的使面或邻近处发生破坏所需要的应力。胶接制品的使用环境和使用目的不同，对胶粘剂的强度和胶接强用环境和使用目的不同，对胶粘剂的强度和胶接强度也有不同的要求。一般要求胶接强度稍高于被胶度也有不同的要求。一般要求胶接强度稍高于被胶接物的强度和胶粘剂的强度。接物的强度和胶粘剂的强度。49（2 2）耐水性：耐水性：胶接件经水分或湿气作用后能保持其胶接件经水分或湿气作用后能保持其胶接性能的能力。分室内、外、包装等。胶接性能的能力。分室内、外、包装等。l胶接耐久性：胶接耐久性：胶粘剂和胶接制品的耐久性决定了制胶粘剂和胶接制品的耐久性决定了制品的使用寿命。品的使用寿命。l

28、胶接制品的毒性：胶接制品的毒性：对室内使用的胶粘剂更为重要，对室内使用的胶粘剂更为重要，应为低毒或无毒。应为低毒或无毒。503.6.2 3.6.2 按胶粘剂使用特性选择按胶粘剂使用特性选择胶粘剂的固体含量和粘度是决定胶接质量的重要因胶粘剂的固体含量和粘度是决定胶接质量的重要因素。决定着施胶量、施胶的均匀性、胶液的流动性素。决定着施胶量、施胶的均匀性、胶液的流动性和渗透性、施胶方法、施胶设备及胶接的工艺条件和渗透性、施胶方法、施胶设备及胶接的工艺条件等，最终决定胶接的质量。等，最终决定胶接的质量。51胶粘剂适用期：胶粘剂适用期：是指配制后的胶粘剂所能维持其是指配制后的胶粘剂所能维持其可用性能的时间，与固化时间和可用性能的时间，与固化时间和phph值相关。在人值相关。在人造板生产中，一般要求胶粘剂的固化时间尽可能造板生产中，一般要求胶粘剂的固化时间尽可能短，而适用期尽可能长。与其形态（粉状或液状）短，而适用期尽可能长。与其形态（粉状或液状）有关。有关。52固化条件和固化时间：固化条件和固化时间：随胶种或配方和制造工艺的随胶种或配方和制造工艺的不同而不同。固化条件主要有固化温度、压力、材不同而不同。固化条件主要有固化温度、压力、材料含水率、材料性质及材料尺寸等。