胶黏剂的粘接强度及影响因素

胶黏剂领域极为广泛，其核心特性在于能够通过机械锚合、吸附等多种机制实现粘合功能，因此，凡具备此类能力的物质均可视为黏合剂使用。众多黏合剂展现出了跨材料的粘合能力，比如橡胶黏合剂能够连接多种不同材质，而环氧树脂胶黏剂更是因其近乎“万能”的特性著称，除了少数非极性材料及特定塑料（如聚乙烯、聚四氟乙烯）外，几乎能与所有物质牢固粘合。

然而，在实际应用中，要想达到最佳的粘接效果，必须确保胶黏剂与被粘接物之间产生的物理与化学作用力均达到最优状态。粘接强度的实现受到多方面因素的深刻影响。具体而言，粘接强度是指单位粘接面积上所能承受的粘接力，它涵盖了胶层自身的内聚强度以及胶层与被粘接面之间的黏附强度。这一强度的大小直接关联于胶黏剂的化学组成、基料的结构特性与性质、被粘接物的物理与表面性质，以及应用过程中的操作手法和条件等因素。

胶黏剂基料的物理力学性能
合成胶黏剂的基石通常是合成高分子化合物，这些化合物在结构上展现出多样性，主要分为热塑性和热固性两大类。进一步细分，热塑性高分子又可根据其分子排列的有序性区分为晶态和非晶态两种。这种复杂的组成与结构差异对合成胶黏剂的物理力学性能产生了深远的影响，不同类型的高分子基料赋予了胶黏剂独特的粘附性、强度、耐热性、耐寒性等特性。因此，在设计和选择合成胶黏剂时，对其基料的高分子类型及其结构特性的深入理解至关重要。

影响粘接强度的物理因素

（1）弱界面层现象：在粘接过程中，那些削弱粘接效果并导致粘接强度下降的特定表面层，我们称之为弱边界层。这一现象不仅限于聚合物表面，纤维、金属等多种材料表面同样可能存在。弱边界层的形成源于胶黏剂、被粘物以及环境因素三者之间的复杂交互作用，或是其中两者的相互作用。当杂质在粘接界面附近积聚且与被粘物结合不紧密时，便可能形成这样的弱边界层。因此，在粘接失效时，尽管表面上看似发生在胶黏剂与被粘物的界面处，实则往往是弱边界层首先发生破坏。

（2）胶黏剂黏度的关键作用：胶黏剂对被粘物表面的有效浸润与黏附，本质上是两者分子间相互作用达到能量最低状态的过程。这一过程要求两种物质的分子必须足够接近，通常间距需小于5×10^_-8厘米。然而，由于固体表面难以达到绝对平滑，胶黏剂需通过流动或变形渗透至被粘物表面的微小空隙或裂缝中，同时排除其中的空气，以实现完全浸润。此过程中，胶黏剂的黏度成为关键因素：较低的黏度意味着更好的流动性，有利于浸润的进行；而对于高黏度胶黏剂，则可能需要加热、加压等辅助手段来增强浸润性。

（3）被粘物表面处理的必要性：由于所有物质表面都具有一定的吸附性，为了获得最佳的粘接效果，对被粘物表面进行适当的处理显得尤为重要。被粘物表面的性质对粘接强度有着至关重要的影响，表面状态不佳往往是导致粘接接头失效的主要原因。通过合理的表面处理，可以显著提高金属等材料的粘接强度，特别是对于铝合金等材质，其抗剪切强度甚至能提升25%至70%。因此，优化被粘物表面处理技术，是提高粘接质量和耐久性的关键环节。

（4）粘接件内应力的解析：粘接件中的内应力主要源自两个方面：首先是胶黏剂在固化过程中由于体积减小而产生的收缩应力；其次，由于胶黏剂与被粘物的热膨胀系数不匹配，在环境温度变化时会引发热应力。这些内应力的存在会显著降低粘接强度，极端情况下甚至导致粘接自动失效。内应力，作为单位截面上附加的力，在未受外力作用时即已存在于粘接接头内部，其中收缩应力源于固化过程中的体积变化，而热应力则随温度变化而波动，具有暂时性。

粘接件的内应力与其老化过程紧密相连。热老化过程中，热氧作用及挥发性物质的释放会加剧胶黏剂层的收缩；相反，在潮湿环境中，胶黏剂的吸湿则会导致胶层膨胀，从而进一步影响内应力的分布。值得注意的是，内应力的存在还可能加速粘接件的老化进程，特别是对于环氧胶黏剂和聚氨酯胶黏剂而言，即使是微小的外加负荷也能显著加剧其湿热老化。

不同固化方法下的胶黏剂均难以避免一定程度的体积收缩。若固化过程中体积未能达到平衡，后续固化将引发内应力。溶液型胶黏剂由于固体含量较低，固化时体积收缩尤为显著。熔融态聚合物冷却过程中的体积变化亦不容忽视，如聚苯乙烯和聚乙烯的收缩率分别可达5%和14%。化学反应固化的胶黏剂，其体积收缩率因反应类型而异，缩聚反应尤为严重，因反应物分子中部分转化为小分子逸出。相比之下，开环聚合因分子间距离变化较小，体积收缩较为有限。

对于热固性胶黏剂而言，凝胶化后分子运动受限，特别是玻璃化后更为显著，这使得凝胶化后的固化反应成为收缩应力的主要来源。高官能度胶黏剂体系在固化后往往产生更高内应力，这可能影响其粘接强度，如环氧化酚醛树脂胶黏剂相较于双酚A型环氧树脂胶黏剂即表现出较低的粘接强度。

因此，在热固性树脂的应用中，降低固化过程中的体积收缩率至关重要。这通常可通过调整配方、优化固化条件及采用特殊添加剂等方法来实现。

优化策略以减轻胶黏剂内应力：

1. 降低官能团浓度：为减少固化过程中的体积收缩，从而降低收缩应力，一个有效的方法是降低反应体系中官能团的浓度。这可以通过共聚反应或提高预聚体的分子量来实现。例如，双酚A型环氧树脂胶黏剂的粘接强度与其树脂的分子量密切相关，随着分子量的增加，其抗剪强度也会相应提高。因此，通过调控反应条件，减少官能团的浓度，可以在一定程度上控制收缩应力。
2. 增韧剂的应用：加入能溶于树脂预聚体的高分子聚合物作为增韧剂，是另一种有效策略。在固化过程中，随着树脂分子量的增加，增韧剂会逐渐析出，其相分离时产生的体积膨胀能够部分抵消固化过程中的体积收缩，从而减轻内应力。例如，在不饱和聚酯中加入聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩醛或聚酯等热塑性高分子，均能显著降低固化收缩。
3. 无机填料的引入：适量添加无机填料也是降低收缩应力的有效手段。由于填料不参与化学反应，它们能够按比例减少固化过程中的体积收缩。此外，无机填料还能降低胶黏剂的热膨胀系数，提高其弹性模量，从而在某些情况下显著提升胶黏剂的强度。但需注意，填料的用量应控制在合理范围内，以避免对性能产生不利影响。

固化过程中的体积收缩与内应力：无论是溶剂型、热熔型还是通过化学反应固化的胶黏剂，在固化过程中都不可避免地会发生体积收缩。特别是在胶黏剂失去流动性且体积尚未达到平衡时，进一步的固化将引发显著的体积收缩，从而产生内应力。溶剂型胶黏剂在溶剂挥发导致胶层失去变形能力时，内应力尤为明显。热熔胶黏剂在冷却过程中同样伴随着显著的体积收缩。而不同类型的化学反应固化胶黏剂，其体积收缩率则因反应机制的不同而有所差异。例如，环氧树脂因开环聚合时原子间距离变化较小，故体积收缩率相对较低；而不饱和聚酯树脂和酚醛树脂等则因化学反应过程中的原子重排和小分子副产物的释放，导致较高的体积收缩率。