胶黏剂复习提纲上

更新时间:2020-06-27 07:14
 

  胶黏剂复习提纲上_工学_高等教育_教育专区。第一讲 绪论 概念 胶粘剂:是一类单组分或多组分的,具有优良粘接性能的,在一定条件下能使被胶接材料通 过表面粘附作用紧密地胶合在一起的物质,又称粘合剂、粘接剂,简称胶。采用胶粘剂将各 种材料或部件连接

  第一讲 绪论 概念 胶粘剂:是一类单组分或多组分的,具有优良粘接性能的,在一定条件下能使被胶接材料通 过表面粘附作用紧密地胶合在一起的物质,又称粘合剂、粘接剂,简称胶。采用胶粘剂将各 种材料或部件连接起来的技术称为胶接技术。 粘合:两个表面依靠化学作用、物理作用或两者兼有的作用使之结合在一起的状态。 内聚:单一物质内部各粒子靠主价力、次价力结合在一起的状态。 粘附破坏:胶粘剂和被粘物界面处发生的目视可见的破坏。 内聚破坏:胶粘剂或被粘物内部发生的目视可见的破坏。 固化:胶粘剂通过化学反应(聚合、交联等)获得并提高胶接强度等性能的过程。 硬化:胶粘剂通过化学反应或物理作用(如聚合、氧化、凝胶化、水合、冷却、挥发性组分 的蒸发等)获得并提高胶接强度等性能的过程。 贮存期:在规定条件下,胶粘剂仍能保持其操作性能和规定强度的最长存放时间。 适用期:配制后的胶粘剂仍能维持其可用性能的时间,同使用期。 固体含量:在规定的测试条件下、测得的胶粘剂中不挥发性性物质的质量百分数。 胶粘剂的特点,优点和缺点 特点: 1、粘结无破坏性; 2、轻质性; 3、无机胶粘剂具有优良的耐温性。 优点: 1、可实现不同种类或不同形状材料之间的连接; 2、粘接为面际连接,应力分布均匀,不易产生应力破坏、延长结构寿命; 3、密封性能好、隔开被粘物,可减少不同金属连接的电位腐蚀; 4、提高生产效率,降低成本; 5、减轻结构质量; 6、可赋予被粘物体特殊性能(导电胶、导磁胶等) 。 缺点: 1、耐候性差; 2、胶接的不均匀扯离和剥离强度低,容易在接头边缘首先破坏; 3、溶剂型胶粘剂易挥发,某些溶剂易燃、有毒; 4、胶接质量受多种因素影响,不够稳定,且不能无损探伤。 第二、三讲 胶接基础 与胶接有关的因素 界面相关因素:湿润程度,接触角,被胶接体的临界表面张力和胶粘剂的表面张力的关系, 胶接张力,胶接功,扩散系数,界面张力,溶解度参数,固化后的胶粘剂和被胶接材的临界 表面张力的关系等。 胶粘剂相关因素:胶粘剂分子化学构造,分子量及分子量分布,固含量,流动性,粘附力, 粘弹性,内聚力,延伸率,固化方法,固化温度,表面张力等。 胶接材料因素:如木材的组织构造,密度,强度,含水率,表面张力,表面平滑度,纹理, 纤维方向,抽提物,早晚材及边心材的物理化学差异,胶接面的吸附污染等。 胶接工艺相关因素:涂胶量,陈化时间,加压压力,加压时间,胶接温度等。 胶接理论 吸附理论 论点: 胶接作用是胶粘剂分子与被胶接物分子在界面层上相互吸附产生的。 胶接作用是物理吸附和 化学吸附共同作用的结果。而物理吸附则是产生胶接作用的普遍性原因。 结论: 1、吸附理论强调胶粘剂与被胶接材料表面间的距离是产生胶接力的必要条件。 2、胶接体系内分子接触区的稠密程度是决定胶接强度的主要因素。 3、只要胶粘剂在固化或硬化前完全湿润被胶接材料的表面,分子间的作用力就足以产生很 高的胶接强度。但许多事实又表明,胶粘剂充分湿润胶接材料的表面,是产生高胶接强度的 必要条件,而不是充分条件。 缺陷: 吸附理论把胶接作用主要归于分子间的作用力。 它不能圆满地解释胶粘剂与被胶接物之间的 胶接力大于胶粘剂本身的强度相关这一事实。 机械胶接理论 论点: 胶粘剂会渗入被胶接物内的空隙中固化成胶钩或胶钉, 达到机械连接被胶接物的目的。 机械 连接形式与浸润、分子间作用力无关,故称锚固或紧固作用。 结论: 1、胶钉越多,胶粘剂渗透得越深,孔隙填充越满,胶接强度越高。 2、胶粘剂必须是能流动的液体或加热能变成液体;胶粘剂要有足够的固体含量,它是决定 产生胶接强度的主要物质。 缺陷; 机械结合理论不能解释非多孔性材料, 如表面光滑的玻璃等物体的胶接现象, 也无法解释由 于材料表面化学性能的变化对胶接作用的影响。 但许多事实证明, 机械结合力是吸附作用胶 接力的第二大成因。 扩散理论 论点: 链状分子胶粘剂的分子链或链段扩散渗透到材料中互相交织, 形成一个具有互相穿透的高分 子网络结构的过渡区,获得很高的胶结强度。这一需大分子与胶接材料表面要相溶,二需存 在扩散。 结论; 1、适当降低分子量,有助于提高扩散系数,改善胶接性能。提高接触时间和胶接温度都能 增强扩散作用。 2、 扩散理论解释聚合物的自粘作用已得到工人, 它能结识许多工艺因素对胶接性能的影响, 也能解释胶粘剂组分对胶接性能的影响。 3、某些胶粘剂中加入增塑剂和填料可以提高胶接强度。 缺陷: 无法解释金属、陶瓷和玻璃等无机物的胶接现象。 静电理论 论点: 在胶接接头中存在双电层,双电层的静电吸引力提供了胶接力。 结论: 1、剥离速度不同时的粘附力不同,解释了粘附力与剥离速度有关的实验事实,克服了吸附 理论的不足。 缺陷; 静电力对胶接强度的贡献可以忽略不计。 无法解释炭黑填料胶和导电胶的胶接, 也无法解释 两种以上互溶高聚物构成胶接体系的胶接。 化学键理论 论点: 胶结作用主要是胶粘剂与被粘物通过分子间化学反应产生的主价键 (主要是离子键、 共价键) 作用的结果。 结论: 1、通过体系中的活性基团形成化学键。 2、通过偶联剂使胶粘剂和被粘物分子间成键。 3、通过表面处理获得活性基团成键。 缺陷:无法解释大多数不发生化学反应的胶接现象。 总结: 胶接是一个复杂过程,很难用单一理论解释。胶接强度取决于多种因素,内因如胶粘剂和被 粘物的物化性质,外因如固化环境参数、胶接工艺等。胶接效果是主价力、次价力、静电力 和机械作用共同作用的结果。 需要根据实际灵活应用有关理论指导胶接, 获得良好胶接效果。 胶接界面化学 为形成良好的胶接,首先要求胶粘剂分子和被胶接物分子充分接触。为此,一般要将被胶接 体表面的空气、或者水蒸气等气体排除,使胶粘剂和被胶接物接触。即将气——固界面转换 成液——固界面,这种现象叫做润湿,其润湿能力叫做润湿性。 1、如何获得良好的湿润效果? 选择能起良好湿润效果的胶粘剂,对被粘物表面预先清洁和表面处理。 2、什么是湿润不良的界面缺陷? 表面为湿润的微细孔穴, 胶接时未排尽或胶粘剂带入的气泡, 材料局部的不均匀性会影响湿 润效果,造成在湿润不良的界面缺陷周围的应力集中,应尽量排除。 3、判断湿润性的方法 用接触角来判断湿润性 (液滴在表面铺开不成水珠或半球则接触角小于 90°, 判断为湿润) 。 胶接破坏 胶接接头在材质上是不完全连续的,通常是应力集中部位,在外力和环境应力作用下,可能 导致接头破坏。单位胶接面积或单位胶接长度上所能承受的最大载荷称为接头的破坏强度。 胶接接头 1、搭接接头 由两个被胶接部分的叠合, 胶接在一起所形成的接头 2、面接接头 由两个被胶接物主表面 胶接在一起所形成的接头 3、对接接头 被胶接物的两个与主表面 垂直的端面胶接形成的接头 4、角接接头 一被胶接物与主表面垂直 的端面与另一被胶接物的 主表面胶接形成的接头 接头胶层的四种受力情况 拉应力:外力与胶接面垂直,且均匀分布于整个胶接面。 剪切力:外力与胶接面平行,且均匀分布于胶接面上。 剥离力:外力与胶接面成一定角度,并集中分布在胶接面的某一线上。 劈裂力(不均匀扯离力) :外力垂直于胶接面,但不均匀分布在整个胶接面上。 内聚破坏:胶粘剂或被粘物内部发生的目视可见的破坏,主要取决于材料自身的强度。 界面破坏:又称粘附破坏,是胶粘剂和被粘物界面处发生的目视可见的破坏,主要是被胶接 物可粘性差造成的。 、 胶粘剂的分类 固化方式分类 固化类型 溶剂挥发型 具体固化方式 溶剂型 乳液型 催化剂型 两液型 化学反应型 一液型 冷却冷凝型 加成反应型 交联反应型 热固反应型 抢夺反应型 其他反应型 水 有机溶剂 胶粘剂品种 淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素 氯丁二烯橡胶溶剂型、聚醋酸乙烯 聚醋酸乙烯酯乳液 脲醛树脂、三聚氰胺树脂 环氧树脂、间苯二酚树脂 水性高分子异氰酸酯 加热固化型酚醛树脂、三聚氰胺树脂 聚氨酯树脂、α -烷基氰基丙烯酸酯 光化学反应型树脂、厌氧性固化树脂、压敏胶 骨胶、热熔胶 固化方式:溶剂型,加热、红外照射或自然风干固化;反应型,按设计使用催化剂、交联剂 或其它反应剂固化,或在光、紫外线、加热或压力下固化;冷凝型,如热熔胶冷却固化。 物理形态分类 水溶液型 非水溶液型 液态型 乳液(胶乳) 无溶剂型 粉状 片、块状 固态型 细绳状 胶膜 带状型 聚乙烯醇、纤维素、脲醛树脂、酚醛树脂、 三聚氰胺树脂、硅酸钠 硝酸纤维素、醋酸纤维素、聚醋酸乙烯、氯丁橡胶、 丁腈橡胶 聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸酯、天然橡胶、氯丁橡胶、 丁腈橡胶 环氧树脂、聚酯丙烯酸、α -氰基丙烯酸酯 淀粉、酪素、聚乙烯醇氧化铜 鱼胶、松香、虫胶、热熔胶 环氧胶棒、热熔胶 酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-丁腈、环氧-丁腈 、环氧-聚酰、酚醛树脂 粘附型 热封型 膏状与腻子型 主要成分分类 胶粘剂分为无机胶粘剂和有机胶粘剂两大类。 无机胶粘剂包括硅酸盐类、 磷酸盐类和硫酸盐 类等; 有机胶粘剂分为天然有机胶粘剂和合成有机胶粘剂, 合成有机胶粘剂还可分为树脂型、 橡胶型和复合型。 用途分类 耐水性分类 应用方法分类 作业 1、影响胶粘剂胶接强度的因素有哪些?可以用哪些胶接理论解释? 影响胶接强度的因素有胶粘剂分子的结构、 分子量及其分布, 胶粘剂的粘度及其分子的交联 程度和极性,胶粘剂及其环境的 pH 值,还有胶粘层的厚度。 可以用吸附理论,机械结合理论,扩散理论,静电理论和化学键理论来解释。 2、胶粘剂的固化或硬化方式。 溶剂型胶粘剂随溶剂挥发固化,故选择加热、红外照射和自然风干固化,乳液型随水分挥发 固化,固化方式同上;冷凝型如热熔胶冷却固化;反应型可分为化学和物理条件固化,化学 类多加催化剂、交联剂等固化剂固化,物理类则有光引发、紫外照射、加热和压力等固化。 3、形成胶接的条件? 胶粘剂应具有适当的湿润性; 胶粘剂与被粘物形成界面扩散; 胶粘剂与被粘物分子间形成胶 接键。 4、如何判断湿润性? 一、用接触角判断,接触角θ 小于 90°为湿润; 二、用胶接功方程Wa = YSV + YLV ? YSL = YLV (1 + cosθ)来判断,Wa 越大湿润性越好; 三、用铺展系数S = YSV ? YSL ? YLV 来判断, S ≥0 能湿润。 第 4 讲 脲醛树脂(UF 树脂) 特点 成本低廉,原料丰富,固化胶层无色,操作性好,胶接性能好。可用于人造板和木材加工。 会释放甲醛,具有毒性,耐水性差,固化后胶层脆性大,耐老化性能差。 原料 尿素 甲醛 原理 靠尿素和甲醛加成产生的羟甲基反应生成次甲基或醚键固化 脲醛树脂的工艺关键是控制 UF 比值,U/F 比值大即尿素多,反应生成的羟甲基少,胶接性 能差,释放的游离甲醛少,U/F 比值小即甲醛多,反应生成的羟甲基多,胶接性能好,释放 的游离甲醛多。 改性 改进耐水性 共混聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯乳液、异氰酸酯、丙烯酸酯乳液;共聚苯酚、单宁、三聚 氰胺酸性盐、间苯二酚、苯胺、糠醛。 引入三聚氰胺,形成三维网状结构,封闭亲水基团,中和胶层中的酸防讲解,提高耐水性。 改进稳定性 调 pH 值至 8~9,降低固含量,UF 比值越大,加入 5%甲醇、变形淀粉及分散剂、硼酸盐、 镁盐组成的复合添加剂都可以提高稳定性。 改进耐老化性 UF 树脂老化是胶层老化龟裂开胶脱落,加入一定量热塑性树脂如聚乙烯醇提高耐老化性。 其它改性 木素-UF 树脂 干、湿态胶合强度都很高,耐水性好,环保。 面粉-UF 树脂 降低制品吸水率,提高拉伸强度和胶合强度。 UF 共聚物、乙二醛和氯化铵的共混胶粘剂 固化快速,耐水性好,残留甲醛低。 固化 酸性条件下固化: 加热加压下自身固化,但时间长,交联度低、固化不完全、胶接质量差。故加入固化剂(如 果木材酸性较强可以不加)催化固化。 降低 pH 值,提高固化温度可加速固化。 固化环境酸性越强脲醛树脂分子量增长越快, 但胶合强度维持时间越短, 胶层开裂越容易发 生,pH 值保持在 4.5~5.0 内较好。 其它 游离甲醛的控制 来源:未反应的甲醛,缩聚阶段释放的甲醛,使用时固化释放的甲醛 手段 合成工艺 一、增大总体 U/F 比值 二、改进合成工艺:分次加入尿素,控制缩聚阶段 pH 值,采用中、低温合成工艺和脱水工 艺 三、使用甲醛捕捉剂 四、加入强氧化剂氧化甲醛 五、合理使用固化剂 胶接工艺 一、提高热压温度、延长热压时间、降低板材含水率 二、对人造板后处理 第 5 讲 三聚氰胺树脂 特点 胶接强度高,热稳定性、耐沸水能力高,低温固化能力强,硬度高,耐磨性优异,耐药剂性 好。 胶本身低温易冻结、保存性能差,固化后因为硬度和脆性高,容易产生裂纹。 脲醛树脂只能用于室内,三聚氰胺-脲醛树脂(MUF)则可以用于条件颇为恶劣的室外。 原料 三聚氰胺 甲醛 原理 靠氨基和甲醛加成产生的羟甲基缩合成次甲基或醚键固化 三聚氰胺树脂合成的关键因素是三聚氰胺和甲醛的摩尔比, 摩尔比在 1:2 以下时干强度下降, 湿强度有上升趋势,1:3 以上时湿强度下降,合适比为 1:2~3 合成时 pH 值 8.5~10 为佳,温度影响三聚氰胺在甲醛中的溶解度故而影响反应速率,保持 75~85 度为佳 改性 改进贮存性能 喷雾干燥制取三聚氰胺树脂或用双氰胺改性。 改进胶膜脆性 减少树脂交联度,增加柔顺性,如使用醇类对树脂进行醚化或加入蔗糖、己内酰胺及热塑型 树脂进行改性 固化 与脲醛树脂不同, 三聚氰胺树脂不仅可以在酸性条件下进行, 还能在中性甚至弱碱性条件下 进行,它是一种热固性树脂,加热固化。 其它 三聚氰胺-尿素-甲醛共聚树脂(MUF 树脂) 三聚氰胺·尿素·甲醛共缩合树脂可用于制造耐水胶合板、刨花板、MDF、集成材、单板层 积材等,属热固性树脂。通常以氯化铵作为固化剂,并加入面粉等填加剂与增量剂使用。加 入固化剂虽然在常温下也可达到某种程度的固化,但是很难达到理想的固化状态。 三聚氰胺·尿素·甲醛共缩合树脂的合成方法有两种,一种方法是使三聚氰胺和尿素在一个 反应釜内同时与甲醛进行反应合成; 另一种方法是将三聚氰胺和尿素分别先与甲醛反应合成 三聚氰胺树脂和脲醛树脂,然后再将两种树脂混合后使用。 作业 1、降低脲醛树脂中游离甲醛的含量的方法? 主要通过提高 U/F 比值即提高尿素所占的含量的办法来降低,其次可以使用多段加入尿素, 控制 pH 值,反应温度等手段来降低游离甲醛含量。 2、确定脲醛树脂反应终点的方法。 一、根据树脂和水的相容性变化来确定; 二、根据反应体系黏度来确定; 三、根据反应时间来确定。 3、影响脲醛树脂合成反应的因素。 一、原料组分的摩尔比; 二、不同反应阶段反应介质的 pH 值; 三、反应温度和反应时间。 4、脲醛树脂和三聚氰胺树脂的反应原理有何异同? 相同点,都是与甲醛在催化剂作用下加成而成的,固化都是羟甲基反应成次甲基或醚键; 不同点, 三聚氰胺树脂缩聚和固化反应不仅在酸性条件下可以进行, 甚至可以在中性和弱碱 性条件下进行。三聚氰胺较多的官能度决定产物会有较多交联,其本身是环状结构,故有良 好耐水性和耐热性。 5、脲醛树脂胶粘剂释放游离甲醛的原因。 一、合成中未反应甲醛; 二、形成次甲基或醚键脱醛时释放的甲醛; 三、使用过程中收到外界条件影响树脂降解释放的甲醛; 四、高温下木材半纤维素分解释放的甲醛。 第 6、7 讲 酚醛树脂(PF 树脂) 特点 胶接强度优异,耐水、耐热、耐磨、化学稳定性好、耐沸水性最好。 但颜色较深,有一定脆性、易龟裂,水溶性酚醛树脂与脲醛树脂相比固化时间长,固化温度 高,板材含水率要求严格,使用上受到一定限制。 与脲醛树脂的对比 胶种 原料 主要结构 脲醛(UF)树脂 尿素+甲醛 酚醛(PF)树脂 苯酚+甲醛 耐热、耐老化性 耐(沸)水性 颜色 固化温度 固化速度 耐霉性 主要应用 价格 毒性问题 一般或较差 一般或较差 无色-乳黄 小于 100° 较快 一般或较差 室内粘接 便宜 游离甲醛 优异 优异 红色-棕红 大于 120° 很慢 优异 室外为主 贵 游离酚 原料 酚类:苯酚及其衍生物(甲酚、二甲酚、间苯二酚等) 醛类:甲醛、乙醛和糠醛等 催化剂:盐酸、草酸、硫酸、对甲苯磺酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氨水、氧化镁 和醋酸锌等 糠醛 原理 根据原料化学结构、酚醛配比和介质 pH 值的不同,可合成热固性酚醛树脂和热塑性酚醛树 脂两种酚醛树脂。 热固性酚醛树脂是在碱性催化剂作用下苯酚与甲醛以摩尔比小于 1 的条件下制得。 热塑性酚醛树脂是在酸性催化剂条件下苯酚与甲醛以摩尔比大于 1 的条件下制得。 热固性酚醛树脂原理 主要靠甲醛加成到酚环上产生的羟甲基与酚环脱水生成次甲基或与另一个羟甲基脱水生成 醚键固化 合成过程的关键是碱性条件、 摩尔比和控制反应程度, 苯酚和甲醛的摩尔比小于 1 即甲醛过 量,在凝胶点前停下制得甲阶酚醛树脂,碱性的甲阶酚醛树脂又称水溶性酚醛树脂,乙醇溶 液中的称为醇溶性酚醛树脂。 热塑性酚醛树脂合成原理 主要靠甲醛加成到酚环上形成的羟甲基与另一个酚环脱水形成次甲基固化 合成过程的关键是酸性介质、过量的三官能度或二官能度酚(酚醛摩尔比为 6:5 或 7:6) ,保 证生成线 左右) 改性 利用尿素、三聚氰胺、木素、糠醛、单宁等替代苯酚或甲醛的一部分共聚降低成本。 利用三聚氰胺改进耐老化、耐热及耐磨性,胶接性能、色调及光泽也有所改善。 利用少量的间苯二酚、间甲酚、间氨基酚等高活性酚降低固化温度、缩短固化时间。 利用高分子弹性体提高胶层弹性, 改进抗老化性。 同时初粘性、 粘附性及耐水性也有所改善。 几种重要的改性酚醛树脂 酚醛-缩醛树脂:机械强度高,柔韧性好,耐寒,耐大气老化性能极佳,可用于木材和金属 的胶接。 酚醛-丁腈橡胶胶粘剂:柔韧性好,耐温性好,有较高的胶接力。 苯酚-三聚氰胺共缩合树脂:耐沸水性极佳。 固化 甲阶酚醛树脂(热固性)的固化分为冷固化和热固化,冷固化为室温固化,常用于木材冷压 胶接,用苯磺酸、石油磺酸等固化剂固化。热固化直接加热固化。 线性酚醛树脂(热塑性)的固化加入甲醛供体(如六次甲基四胺、聚甲醛等)并加热,使得 发生酚环上活性点的加成再缩合,形成不溶不熔的体型产物完成固化。 其它 控制酚醛树脂固化反应速度的因素 一、固化温度 固化速度受温度影响非常大,常温下差 10°,固化速率相差 4~5 倍,高温加 速固化 二、酚醛摩尔比(P/F 值)醛含量越高固化速度越快 三、NaOH/P 值 NaOH 含量越低固化速度越快 改进酚醛树脂固化速度的途径 一、添加固体促进剂或高反应活性物质 二、改变树脂的化学结构,提高其反应活性 三、与快速固化性树脂复合 四、提高树脂的聚合度