胶接强度的影响因素

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第608页（4570字）

胶接强度就是单位胶接面积上所能承受的最大力，其大小主要取决于胶粘剂本身的强度(内聚力)和胶粘剂与被粘物之间的粘附强度(粘附力)。影响胶接强度的因素，实际上就是影响内聚力和粘附力的因素，主要包括胶粘剂对被粘物表面的湿润性、胶粘剂本身的性质、被粘物表面的状况、粘结工艺的影响、环境因素与接头形式等。

(一)胶粘剂对被粘物表面的湿润性

湿润是液态物质在固态物质表面分子力的作用下均匀分布的现象，胶接的首先条件是胶粘剂能均匀地分布在被粘物上。因此，胶粘剂完全湿润被粘物是获得高强度胶接的必要条件。如果湿润不完全，就会产生胶层缺胶，导致胶接面积和强度下降。

材料的湿润性通常用湿润边角θ来表示，如下图所示。湿润边角θ愈小，其湿润性能愈好；湿润边角θ愈大，其湿润性能愈差。湿润边角θ的大小与材料的表面张力有关，湿润性既受胶粘剂的表面张力影响，又受被粘物表面张力的影响。例如，同样的水能湿润洁净的玻璃，而却不能湿润石蜡。一般来讲，胶粘剂表面张力愈小，其湿润性愈好；被粘物表面张力愈大，愈有利于胶粘剂的完全湿润。降低胶粘剂的液体黏度，提高其流动性，给胶层以压力，提高被粘物表面的光洁度和表面温度，都能提高胶粘剂的湿润性。

图 材料的浸润性示意图

(a)亲水性材料；(b)憎水性材料

(二)胶粘剂本身的性质

胶粘剂中的主要成分粘料直接影响胶接强度，不同种类的粘料有不同的胶粘强度，如环氧树脂胶粘剂比脲醛树脂胶粘剂有较高的胶粘强度，同种粘料其相对分子质量对胶粘强度也有很大的影响。一般来说，相对分子质量低者，黏度比较小，其湿润性和粘附性好，但胶层的内聚力小，胶层本身强度较低。相对分子质量高者，则情况相反。因此，胶粘剂的相对分子质量过高或过低，都是不适宜的，一定要选择黏度适当、湿润性好、内聚强度较大的物质作为粘料。另外，粘料中含有极性基团的多少与强弱，也直接影响胶粘强度，极性基团愈多、愈强，胶粘强度愈高。

胶粘剂的其他组成成分，如固化剂、增韧剂、稀释剂、改性剂及填充料等，对胶粘强度也有一定的影响。加入不同类型、不同数量的固化剂，对胶粘强度影响较大。加入适量的增韧剂，可提高韧性和抗冲击性能。加入适量的稀释剂，可降低胶粘剂的稠度，增加其流动性，有利于湿润。加入适量的填充料，能提高胶粘剂的内聚力和粘附力。

(三)被粘物表面的状况

被粘物表面的状况如何，将直接影响粘附力，对胶接强度影响极大。表面状态不符合粘结要求，往往是造成胶接面破坏的主要原因。如凡是经过适当表面处理的金属，胶接强度会有不同程度的提高，其中以铝合金最为显着，其抗剪强度可提高25%～70%。被粘物表面状况主要包括：清洁度、粗糙度、表面化学性质和表面温度等。

1．被粘物表面的清洁度

被粘结的物体表面，要求它应当清洁、干燥、无油污、无锈蚀、无漆皮。因为被粘物体表面常吸附一些水分及尘埃，有的还有油污、锈蚀等附着物，这些东西均会降低胶粘剂的湿润性，阻碍胶粘剂与被粘物体的粘结。同时，这些附着物的内聚力比胶层要小得多，易造成胶接强度的严重降低。

检查表面清洁度的简便方法是观察水滴在表面上的浸润和扩展情况，干净的表面水滴会迅速而完全展开，并在表面形成一连续不破裂的水膜。

2．被粘物表面的粗糙度

被粘物的表面要具有一定的粗糙度，这样才能增大有效粘结面积，有利于增加机械结合作用，防止胶层内微裂缝的扩展，能够提高胶接强度。但是，如果被粘物表面过于粗糙，又会影响胶粘剂的湿润，表面凹处易残存一定量的气泡，反而使胶接强度降低。不同类型的胶粘剂对被粘物表面的粗糙度有不同的要求。

被粘物表面由峰谷组成的起伏不平表示，以μm表示表面峰高或谷深的平均值，即为粗糙度，因此通常被粘物表面的粗糙度用μm表示。一般要求是：使用有机胶粘剂时被粘物表面粗糙度以3．2～12．5μm为宜，使用无机胶粘剂时被粘物表面粗糙度以12．5μm以上为宜。

3．被粘物表面的化学性质

不同材料的被粘物的表面，其表面张力大小、极性强弱、氧化膜致密程度等，有着较大的差别。因此，被粘物表面的化学性质不同，会影响胶粘剂的湿润性和化学键的形成。

被胶接材料经过脱脂去污、机械处理，再经化学处理能不同程度地提高粘结强度，这是因为被粘物表面经化学处理后，改变了其表面的性质，形成了活性表面，增加了与胶粘剂分子的作用。如铝合金经过硫酸－铬酸－重铬酸钠化学处理后，整个表面则覆上一层很小而又致密的氧化腐蚀坑，不仅大大增加表面积，而且这层氧化膜具有很高的极性，能与极性胶粘剂形成坚强的次价键，从而提高了粘结强度。

对于一些非极性的难粘高聚物，如丁基橡胶、乙丙橡胶、聚乙烯等，化学处理主要可使表面层增加极性基团，不但有利于浸润和粘附，而且也能提高表面的强度。化学处理有时还有利于在胶接界面上形成化学键。

4．被粘物表面的温度

被粘物表面应当具有恰当的温度，适宜的温度能增加胶粘剂的流动性和湿润性，有助于胶接强度的提高。但温度不得过高或过低，温度不当也会得到相反的结果。

(四)粘结工艺的影响

在进行粘结的施工过程中，被粘物表面清洁、胶层的厚度、晾置的时间、固化温度、固化压力和固化时间等，每一个具体的粘结施工工艺，均对粘结强度有一定的影响。

1．被粘物表面清洁

在正式粘结施工之前，必须认真对被粘物的表面进行清理，彻底清除被粘物表面上的水分、尘土、油污、锈蚀和漆皮等附着物，以确保粘结质量。

2．胶层的厚度

大多数胶粘剂的粘结强度随着胶层厚度的增加而降低。不同类型的胶粘剂，适宜的胶层厚度也不相同。一般无机胶粘剂胶层的厚度为0．1～0．2mm，有机胶粘剂胶层的厚度为0．05～0．15mm比较适宜。

如果胶层较薄，胶面上的粘附力将起主要作用，而粘附力往往大于内聚力，同时胶层产生裂纹、气泡、收缩和缺陷等，内应力也相应减小，胶接强度就高。但是，胶层的厚度也不能过薄，太薄易出现缺胶，从而更影响胶接效果。因此，要求胶层在均匀满涂的前提下，尽量使其厚度小一些。

3．晾置的时间

胶粘剂是一种黏性物质，其干燥速度比较慢，因此对胶粘剂的晾置时间要充分。尤其对含有稀释剂的胶粘剂，涂胶后的晾置过程是必不可少的，因此，在胶接前一定要充分进行晾置，使稀释剂充分挥发，否则在胶层内会产生气孔和疏松现象，严重影响胶接强度。晾置温度和时间应由胶粘剂的性质、溶剂的类型和含量以及周围环境来决定。

4．固化的温度

固化是胶粘剂胶接过程中最重要的环节。固化原理要根据胶粘剂种类的不同而不同。胶粘剂的固化需要有三个条件，即温度、压力和时间，被称为胶粘剂固化三要素。其中温度是胶粘剂固化的最重要条件，有些胶粘剂必须在一定的温度下才能发生化学反应而固化。适当提高固化的温度，有利于分子间的渗透和扩散，有助于气泡的逸出和增加胶液的流动性，温度愈高，固化速度愈快。但如果温度过高，固化速度虽然加快，但会影响胶粘剂的湿润，产生较大的内应力，反而使胶接强度降低，同时也会增加胶层的热老化作用。因此，在胶接的过程中，应严格控制固化温度。

加热速度对粘合力也有很大影响，如果升温速度过快，既不利于分子扩散，而且会因为放热反应过甚，还能造成固化不良产生内应力，以致产生气泡、裂缝等。

5．固化的压力

胶粘剂在固化时，施加一定压力的作用在于：增加胶粘剂对被胶接材料的浸润和表面微孔、裂隙的渗透；有利于胶液的流动和湿润，有利于排除胶层中残留的挥发性溶剂气体和固化反应时产生的低分子挥发物；有利于控制胶层的厚度，保证胶层的均匀和致密。

固化压力的大小取决于胶粘剂的流动性、固化时有无副产物析出、胶液是否含有溶剂，以及胶接件的结构形式。固化压力不足将引起胶层疏松、有气泡、厚度过大和不均匀。但压力过高，可能造成严重缺胶而导致胶接强度降低。

6．固化的时间

在固化温度下保持一定的时间，具有有利于胶粘剂大分子向被胶接材料扩散的作用，有利于固化反应完全，并使粘合力随时间的延长而增长。保持时间的长短，主要取决于胶粘剂的性质、固化温度、固化压力和固化速度等。

(五)环境因素与接头形式

环境因素与接头形式，对胶接强度的大小也有很大影响。如果环境中空气湿度比较大，胶层内的稀释剂不易挥发，很容易产生气泡；如果环境中空气灰尘多或气温较低时，都会降低胶接强度；如果空气过于干燥且气温过高，胶层内的稀释剂挥发过快，不利于胶粘剂与被胶接物的牢固粘合。

胶接接头的形式很多，接头设计的正确与否对胶接强度影响很大。一个良好的胶接接头，应当是搭接长度适当，宽度较大，被胶接材料有足够的刚度，胶层厚度适中。这样在整个搭接区的胶接面上应力分布均匀，减少或消除应力集中而产生的不均匀扯离使胶层遭到破坏。在进行胶接接头设计时，要尽可能地充分发挥粘合力的作用，要尽量增大粘结的面积，要尽可能避免胶层承受弯曲和剥离作用。