北化涂料与粘合剂课件.pptx
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1、第二第二章章 粘附基本原粘附基本原理理涂料涂料与胶粘胶粘剂剂(Coatings Coatings and and AdhesivesAdhesives)2014-09-23第一章 绪论胶粘剂和涂料 基本概念,、基本 属性、分类方法、命名形成粘附力的基本条件涂料和胶粘剂在国民经济中的 作用第二章 粘附基本原理接头破坏的4种基本形式粘接的吸附理论本质及局限性 粘附力与粘接力的基本概念和相互关系扩散理论本质和局限性 如何判断两物质是否互溶高分子材料互溶性与涂料和胶粘剂制备,与胶层和涂层本体结 构关系,冻胶与凝胶的差异被粘材料被粘材料被粘材料被粘材料被粘材料被粘材料(adherend)被粘材料(sub
2、strad)被粘材料吸附理论:认为胶接力是由于在粘附界面分子(原子)之间的作用产 生,并以此解释和解决胶接过程的问题的理论称为胶接的吸附理论。也就是粘接力是由分子之间作用力(粘附力)的宏观表现形式。是胶 接理论的基础。局限性:粘接力是一个速度过程,受测试速度影响较大。分子 间作用力与材料类型关系较大,难于处理。无法解释表面形态影响。扩扩散理散理论论从界面上链段的扩散角度来研究粘接现象的理论称为粘接的。局限性:对于致密的物体不太适用。界面分子链相互扩散的条件被粘材料与胶接材料或涂料的特性相近被粘材料是由低交联的高聚物组成;结晶性强的材料、高度交联的材料、无机 物、金属等很难与胶接材料发生扩散;要
3、提高高分子材料的粘接强度,必须选择 溶解度参数(solubility parameter)与之相接近的 胶粘剂,以便有利于被粘材料在胶粘剂界面上 的链段扩散(Segment penetration)。该理论对可溶或可溶胀材料的胶接理论有 一定的适用性。2.3 被粘材料的表面形被粘材料的表面形态态与粘接的机械与粘接的机械结结合合 理理论论Surface topography and mechanicalinterlock theoryPTFE钢底胶或底漆作用?锌如果将一种能湿润固体表面的液体渗入两合拢 的固体表面之间,形成液体薄层,再将液体固化 成具有一定力学性能的固体,则两固体就被固化 了的液
4、体通过锚钩和包结作用连结起来,即所谓 机械粘接理论。这种微观的机械连接对于多孔材料如纸张、织 物、皮革等的胶接强度的确有显著贡献,但是对 无孔表面是不重要的。表面机械处理和化学处理胶粘剂液体钉与扩散理论的比较2.4固体表面固体表面润润湿湿现现象及粘附象及粘附功功 Surface wettability and thermodynamic work of adhesion(1)表面张力(surface tension)现象(2)液体对固体表面的润湿(wetting)(3)液体对固体表面的接触角(contact angle)(4)粗糙(rough)固体表面的最隹润湿条件(optimum condi
5、tions for wetting)和润湿动力 学(dynamics)问题(5)液体对固体的粘附功(work of adhesion)粘附表面热力学若若使使两两个个表表面面充充分分接接触触,其其中中至至少少有有一一个个是是液液体体 表表 面面。只只 有有 可可 以以 随随 意意 变变 形形 (deforming as needed)的的液液体体才才能能完完全全适适合合于于固固体体的的凹凹凸凸 (unsmooth)不不平平的的表表面面状状态态,即即所所谓谓润润湿湿 (soaking and wetting)。从从表表面面自自由由能能入入手手,研研究究液液体体对对固固体体表表面面的的润润湿湿,粘附
6、力的学粘附力的学问问。界面界面张张力力 SA被粘物表面被粘物表面张张力力SWa=S+A-SA粘附破坏需要的能量胶接胶接层层表面表面张张力力A(1)表面表面张张力力现现象象雨滴形雨滴形态态,荷荷叶叶(lotus leaf)滴水成珠滴水成珠(water bead),水水 面浮面浮(floating)针针,水流断开水流断开液体表面有收液体表面有收缩缩的的倾倾向向表面分子受力不同表面分子受力不同,内部分子到表面必内部分子到表面必须须做功做功F=2Lf(f:单单位位宽宽度液面上度液面上产产生的力生的力)W=2Lfd,A=2LdW=Aff:新增新增单单位面位面积积所需要的能量所需要的能量.F FdLdA叫
7、叫做做表表面面张张力力(surface tension),它它是是物物质质的的 特特性性,与与表表面面的的温温度度、压压力力及及组组成成有有关关。温温度度 升高升高时时,一般的表面,一般的表面张张力皆降低。力皆降低。dGSTVPA(GA)T,P表面自由能表面自由能(surface free energy)产产生原因:表面分子作用力的剩余生原因:表面分子作用力的剩余现现象:外象:外观观,形状,浸,形状,浸润润,毛,毛细细作用(作用()固体也有表面固体也有表面张张力力高能表面低能表面分子间作用力强分子间作用力弱硬软高熔点低熔点结晶很少结晶面自由能(s表面自由能(sSL+LV时,W0,液体对固体呈
8、现扩展润湿,也叫完全润湿,当SL+LVSV时,则呈现不 同程度的润湿。润湿程度通常以液体对固体的接触角来表 示。(3)液体液体对对固体的接触角与固体的接触角与润润湿湿SV=SL+LVcosYoung氏方程当处于平衡状态时,有SV=SL+LVcos此方程称为Young氏方程,称为接触角。Cos=(SV SL)/LV当SV-SL=LV时,cos=1,=0,液体可以在固体表面上展开,呈扩展润湿;WA=SV+LV SL0当SV-SL0,90,液体在固体表面呈浸没润湿。当SVSL时,Cos90,只能有接触润湿。越小润湿效果越好。当SVSL+LV时,杨氏方程不适用。这时没有接触角(无角不等于=0,=0的正
9、确理解是有一个角,它恰好是零度)液体会在固体表面自动扩展,呈扩展润湿临临界表面界表面张张力力Zisman等为了解决S测定的困难,提出了临界 表面张力C的概念。固体的临界表面张力C,就是接触角=0时的 润湿液体的表面张力.SV-SL=LVcos=1+b(C-L)(作图外推求得)b为常数约为2.6103C=SV-SL(YOUNG方程求得)C不是常数,与所用的液体有关系.低能有机固体表面SL可以忽略不计聚合物的C值(2010-5N.-1)聚合物聚合物C C聚合物聚合物C CCFCF3 3(CF(CF2 2)6 6CHCH2 2OH OH 的的 丙丙烯烯酸酸酯酯聚合物聚合物10.610.6聚氟化乙聚氟
10、化乙烯烯 PFEPFE2828C C7 7F F1515CHCH2 2OC(CHOC(CH3 3)=CH)=CH2 2的聚合物的聚合物10.610.6聚乙聚乙烯烯 PEPE3131C C8 8F F1717SOSO2 2N(CN(C3 3H H7 7)CH)CH2 2COCOCH=CHCH=CH2 2的聚合物的聚合物11.111.1聚苯乙聚苯乙烯烯 PSPS3333石蜡石蜡15152020聚乙聚乙烯醚烯醚3737聚六氟丙聚六氟丙烯烯16.516.5聚甲基丙聚甲基丙烯烯酸甲酸甲酯酯PMMAPMMA3939聚四氟乙聚四氟乙烯烯PTFEPTFE18.518.5聚聚氯氯乙乙烯烯 PVCPVC3939聚
11、二甲基硅氧聚二甲基硅氧烷烷2424聚偏聚偏氯氯乙乙烯烯4040聚偏氟乙聚偏氟乙烯烯2525聚聚对对苯二苯二甲酸乙甲酸乙二二 酯酯PETPET4646聚合物基团C聚合物基团C-CF36-CH32024-CF2H15-CH2-CH2-31-CF2-17-CCLH-CH2-39-CF2-CF2-18-CCL2-CH2-40-CF2-CFH-22-C(NO2)342-CF2-CH2-25-CH2NO245-CFH-CH2-28聚合物基团的C值(2010-5N.-1)c=Nici(4)(4)粗粗糙糙固固体体表表面面的的最最隹隹湿湿润润条条件件和和湿湿润润动动力力 学学问问题题thethe optimum
12、optimum conditionsconditions forfor wetting wetting on roughed solidon roughed solid surfacesurface对于粗糙固体表面湿润过程自由能变化为:G=-LV(1+(AS/AL)cos)AL(Yang方程)AS/AL是表面粗糙度(roughness)的表征.当90时,G90时,且(AS/AL)cos1时,G0,才能出现热力学不湿润情况,r粗糙因子.表观接触解,真实接触角.的变化范围很广,很少等于,即使是经过精细加工 的固体表面也要在的范围,或者更大。式也表明,当1,知coscos,90时,cos 0,cos
13、,粗糙则有碍润湿(荷叶效应原因)把孔隙比做毛细管,液体在毛细管中渗入的深度为:h=kcosL/R(90,则粘附强度不会大于2 L,接头的破坏就要发生在粘附界面.于低能固体表面,当L比C大时,S-sv可以忽略不计,则 粘附功WA=L(1+cos)WA=(2+bC)L-bL 2有一个极大值,解释一些现象令dWA/dL=0,便得WA达到极大值的条 件为L(max)=1/b+C/2此时,粘附功极大值WA(max)=1/b+C+bC2/4 以PE例,C=3.1x10-4Ncm-1,b=0.026,LV(max)=5.41-4Ncm-1,WA(max)=7.6 10-6J cm-2,相应的接触 角为63,
14、这并非理想的润湿条件,可见润 湿性好不等于粘附功大。PE、PVC的WA与L的关系聚偏氯乙烯 聚氯乙烯 聚乙烯金属高能表面的粘附金属高能表面的粘附功功金属液体RS-svWA汞水101174汞正丙醇108132汞丙酮86110汞苯119148汞正辛烷101123铜正已烷2969银正已烷3777铅正已烷4989铁正已烷5393锡水168312锡正已烷5090锡正丙醇83129非金属高能表面的粘附功金属液体 S-svWATiO2水300370TiO2正丙醇114138TiO2苯85114TiO2正已烷5878SiO2水316388SiO2正丙醇134158SiO2苯91110SiO2正已烷5979Ba
15、SO4水318390BaSO4正丙醇101125BaSO4正已烷5878Fe2O3正已烷5494SnO2水292364SnO2正丙醇104128SnO2正已烷5494石墨水64136石墨正丙醇951182.5 被粘材料的表面处理WBL(weak boundary layer 弱弱边边界界层层理理论论)(1)被粘材料的表面被粘材料的表面处处理的作用理的作用表面表面处处理就是理就是改改变变表面表面性性质质,以便提高,以便提高强强度和耐久性度和耐久性的表面制做的表面制做过过 程。程。(a)除去表面的除去表面的污污染物染物,改善胶粘改善胶粘剂对剂对表面的表面的润润湿性和粘附性湿性和粘附性铝表面对水的接
16、触角与胶接强度的关系被粘金属处理方法对水的接触角抗剪强度铝不处理6716.9铝脱酯6718.9铝铬酸处理035.6铝铬酸处理高 温烘干7825.0不锈钢不处理507535.8不锈钢脱酯6743.4不锈钢铬酸处理1048.7钛不处理50759.3钛脱酯617022.0钛铬酸处理1042.3铝表面污染前后的胶接强度表面处理污染情况剪切强度破坏类型机械加工铬 酸处理无35.0内聚同上表面一薄层SAE-油31.0内聚同上在90%湿度下放24hr10.9粘附同上表面加一薄DC-200硅油7.4粘附同上表面加一薄层切削液34.7内聚喷砂无29.7内聚喷砂表面一薄层SAE-油39.6内聚喷砂在90%湿度下放
17、24hr17.4粘附喷砂表面加一薄DC-200硅油3.1粘附喷砂表面加一薄层切削液36.1内聚(b)改改变变表面形表面形态态,增大真增大真实实表面表面积积,以以便提便提高高 粘接粘接强强度度打磨或打磨或喷喷砂砂,改改变变表面上的表面上的应应力分布力分布,阻,阻碍碍外外 力作用下的裂力作用下的裂纹扩纹扩展展(c)改改变变表面化学表面化学结结构构,形成牢固的形成牢固的高能表面高能表面,以以 便提高胶接便提高胶接强强度度PET钠钠-萘萘-四四氢呋氢呋喃喃处处理理;阳极化阳极化处处理理;C纤维纤维;(2)被粘材料表面制被粘材料表面制备备方法方法表表面面制制备备方方法法时时应应考考虑虑的的因因素素:污污
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