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常用材料的表面處理與粘接
作者:admin   日期:2015-5-8
膠接材料的表面處理是整個膠接過程中最重要的工序之一,也是膠接成功與失敗的關鍵之一。由于膠接主要借助于膠粘劑對膠接材料表面的粘附作用,因此膠接材料的表面處理就可能成為決定膠接接頭的強度和耐久性的主要因素。但由于膠接材料在一系列加工、運輸、貯存過程中,表面會存在不同程度的氧化物、銹跡、油污、吸附物及其它雜質等,這就直接影響膠接強度。

膠接材料及其表面是多種多樣的。有金屬材料也有非金屬材料;有干凈的也有被污染的表面;

有光滑的也有粗糙的或多孔性的疏松表面;按照熱力學的觀點,有高能表面與低能表面之分;從化學結構上考慮,又有活性表面與惰性表面之分。

為了獲得膠接強度高、耐久性好的膠接接頭,要求制備的表面層與基體材料及膠粘劑必須結合牢固,并且這種結合不受或少受環境條件的影響。

表面處理的作用主要有以下三個方面:

(1)除去妨礙膠接的表面污物及疏松層;

(2)提高表面能;

(3)增加表面積。

表面處理的好壞將直接影響膠接材料的膠接強度。其主要影響因素是清潔度、粗糙度和表面化學結構這三個方面,下面分別加以介紹。

一、清潔度

要獲得良好的膠接強度,必要的條件是膠粘劑完全浸潤膠接材料的表面。通常,純的金屬表面都具有高的表面自由能。而有機膠粘劑大都是具有低表面自由能的高分子化合物。根據熱力學原理,它們之間能夠很好地浸潤。但實際上得到的金屬都不是純的金屬表面,在它們的表面上經常有一層銹垢或氧化物,以及在金屬的制造、切削、成型加工、熱處理等過程中吸附的有機或無機污染物。這些污染物所組成的污染層內聚強度很低,它們的存在一般都要降低膠接強度。

要得到良好的膠接強度,膠接材料表面的接觸角應當很小甚至為零。例如對鋁而言,當表面上的污物除去后,接觸角大大降低以至到零,可以認為,此時鋁表面上所覆蓋的憎水性污染物已被具有較高表面自由能的吸附層取代了。因此,接觸角最小,膠接強度也最高。由此可知,用測定接觸角的方法來表示清潔度與膠接強度的關系,作為選擇表面處理的最佳條件是有重要參考價值的(見表1)


1 表面處理前后的接觸角和膠接強度

二、粗糙度

很久以來人們都知道用機械打磨的方法能增加金屬的膠接強度。無論用砂皮打磨或用噴砂法處 理膠接材料,適當地將表面糙化,均能提高膠接強度。但是,粗糙度又不能超過一定的界限。表面太粗糙又反而會降低膠接強度。因為過于粗糙的表面不能被膠粘劑很好地浸潤,凹處所殘留的空氣等對膠接是不利的。

另外,膠接強度不僅與表面粗糙度有關,而且與糙化方法所產生的不同表面幾何形狀也有密切關系。例好噴砂處理比拋光后再用機械加工糙化后的膠接強度更高;銳利的磨料比用球形磨料處理的膠接強度高。

膠接材料表面糙化之所以會提高膠接強度,首先,是因為機械糙化的過程無疑也使表面得到了凈化;其次,是因為它還改變了表面的物理化學狀態,形成了新的表面層;最后,粗糙度的不同還會影響界面上的應力分布,從而獲得較好的膠接強度。

三、表面化學結構

膠接材料表面的化學組成與結構對膠接性能、耐久性能、熱老化性能等都有重要影響;而表面結構對膠接性能的影響往往是通過改變表面層的內聚強度、厚度、孔隙度、活性和表面自由能等而實現的。其中,表面化學結構既可引起表面物理化學性質的改變,也可引起表面層內聚強度的變化,因而對粘附性能產生明顯的影響。

例如,用酚醛樹脂膠膠接的不銹鋼和鋁膠接件分別放在2880C 下熱老化處理50min 100min 后,鋁膠接件的穩定性仍然良好,而不銹鋼膠接件幾乎失去了全部膠接強度。這是因為,在不銹鋼表面上發生了固相氧化還原反應,致使高溫熱老化性能大大下降。但是,如果在鋼表面上涂一層環烷酸鋅,膠接件的熱老化性能就可大大提高。因此,改變那些能加速聚合物裂解的表面原子性質時,對鋼接頭的耐熱氧化作用具有明顯的影響。

又如,聚四氟乙烯是一種表面能很低的惰性高分子材料,一般的膠粘劑都無法牢固地進行膠接。但是,用鈉--四氫呋喃溶液處理后,使四氟乙烯發生斷裂作用,表面上的部分氟原子被扯下來,并在表面上產生很薄的黑棕色碳層。這樣,既改變了表面的化學結構,也增加了表面自由能,因而改進了膠接性能。

再如,不同方法處理的鈦和鈦合金,在膠接強度和耐久性能上相差很遠。適合膠接的表面應當具有穩定的、粗糙的、緊密的氧化層。如果在處理液中加入少量的硫化鈉等還原性物質后,耐久性可提高5倍以上。

 

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