聚合物粘结理论

4.5.1　聚合物粘结理论

对于任何物质的粘合，重要的条件是粘合剂对被粘物质的表面应有良好的润湿作用，润湿程度愈高，被粘物表面上的粘合剂铺展得愈宽阔，获得的粘合强度愈高。一般来讲对粘合现象解释主要有以下理论：

1.机械结合理论

任何基材的表面都不可能是光滑的，即使用肉眼看起来光滑，但在显微镜下也是十分粗糙的，有的表面如木材、纸张、水泥，以及涂有底漆的表面还是多孔的，高分子可渗透到这些凹穴或孔隙中去，固化之后就像有许多小钩子和楔子把高分子与基材联结在一起。

2.吸附理论

吸附理论的基本观点是以粘合剂和被粘分子间的范德华力的相互作用来解释粘合作用的。在粘合过程中可分为两个阶段：第一阶段是粘合剂中的聚合物分子由于微布朗运动，从溶液或熔体中迁移到被粘物的表面，聚合物分子的极性基团逐渐向被粘物的极性基团靠近。当无溶剂时，大分子极性基团仅能局部地靠近表面，而在压力或加热的作用下，使粘合剂的粘度降低，大分子的链节便能与被粘物表面靠得很近。粘合的第二阶段是吸附作用，当粘合剂与被粘物分子间的距离小于0.5nm时，分子间力便发生作用。

吸附理论用于解释极性相似的粘合剂与被粘物之间的高粘合强度方面是比较成功的。例如聚乙烯醚不是较好的粘合剂，而聚乙烯醇缩醛树脂、环氧树脂、酚醛树脂都是很好的粘合剂。

但是吸附理论也还不能完满地解释某些问题，例如某些非极性聚合物之间(如聚异丁烯、天然橡胶)有很强的粘结力就无法解释。此外，实验中发现的粘结力决定于胶层的剥离速度也是吸附理论无法解释的，因为克服分子间力所需的功是不随分子的分离速度变化的，这些只能借助于扩散理论来解释。

3.扩散理论

扩散理论是以大分子的链状结构和其柔顺性为出发点的。它将聚合物的粘合作用看成是自粘作用一样，是由于在分子的热运动(微布朗运动)影响下，引起长链分子或其链段的扩散作用，使粘合剂与被粘物之间形成相互交织的牢固胶接接头，这种现象称为“粘合现象”和“自粘现象”，它们的区别在于粘合剂与被粘物材料的性质。当粘合剂与被粘物是两种不同性质的材料时，它们的大分子相互扩散，称为“粘合”，当粘合剂与被粘物是同一材料时，称为“自粘”。

粘合剂分子一般都具有较大的扩散能力，若粘合剂以溶液的形式涂敷，而且被粘物能在此溶液中溶胀或溶解，则被粘物分子也可以向粘合剂进行扩散。这两个过程都引起相界面的消失，生成作为一个聚合物与另一聚合物间的逐步过渡区的融合部分，即生成了高强度的接头。

粘合剂也可以热熔的形式使用，加热时使粘度降低，以利于分子的扩散。当然，粘合剂熔化温度不应超过被粘物的熔化温度是最基本的要求。

扩散理论能令人满意地解释各种因素对粘合强度的影响，但扩散理论不能解释高分子材料对金属、玻璃或其它硬性固体的粘合，因为高分子对这些材料的扩散是很难理解的。

4.化学键结合理论

化学键(包括氢键)的强度要比范德华力强得多，因此如果粘合剂分子和基材之间能形成氢键或化学键，附着力要强得多，如果聚合物上带有氨基、羟基和羧基时，因易与基材表面氧原子或氢氧基团等发生氢键作用，因而会有较强的附着力。聚合物上的活性基团也可以和金属发生化学反应，如酚醛树脂便可在较高温度下与铝、不锈钢等发生化学作用，环氧树脂也可和铝表面发生一定的化学作用。化学键结合对于粘结作用的重要意义可从偶联剂的应用得到说明，偶联剂分子必须具有能与基材表面发生化学反应的基团，而另一端能与粘合剂分子发生化学反应，例如，最常用的硅烷偶联剂，X₃Si(CH₂)_nY，X是可水解的基团，水解之后变成羟基，能与无机表面发生化学反应，Y是能够与粘合剂发生化学反应的官能团。

5.静电作用

当聚合物与基材间的电子亲和力不同时，便可互为电子的给体和受体，二者间可形成双电层，产生静电作用力。例如，当金属和高分子接触时，金属对电子亲和力低，容易失去电子，而高分子对电子亲和力高，容易得到电子，因此电子易从金属移至高分子，使界面产生接触电势，形成双电层并产生静电吸引。