木材胶合理论是什么?

如题所述

研究和解释胶合作用的产生和胶合力形成的学说。木材胶合在一起时,除了木材必须充分润湿和胶粘剂有较高的内聚强度外,还必须有一种特殊的力将被胶接物和胶粘剂结合起来。为了研究这种力以解释关于胶合过程的现象,经过长期探索,提出了以下几种理论或假设:

机械结合理论

在1925年麦克—贝恩(J.W.Mc-Bain)和霍普金斯(D.G.Hopkins)最早提出的胶合理论。即液体胶粘剂渗入并填满被胶接物的微细孔隙,当胶粘剂在孔隙中固化后,胶粘剂与被胶接物便通过表面互相联结而完成胶合过程(图1)。这种理论对解释木材和多数其他多孔材料的胶合是合理的。布朗(F.L.Brown)和特劳克斯(J.R.Traux)认为,胶粘剂浸入到木材组织中的深度和胶合力之间,没有一定的关系。这种胶合理论要求液体胶粘剂有低的粘度和低的表面张力,这样胶粘剂可以顺利浸入并填满孔隙。

图1扩散理论

认为当胶粘剂涂布在被胶接物表面时,若被胶接物是可以被它溶解或溶胀的高分子材料,则相互之间会越过界面而扩散交织起来(图2)。为了明显增加胶接强度,相互扩散形成的界面层必须在10~20埃之间。扩散理论是以粘度、聚合物类型、温度和固化时间都对决定胶接强度起作用这一事实作根据的。被胶接物和胶粘剂聚合物必须有大致相同的溶解参数,同时分子的链必须是相当活动的。如果不满足这些要求,扩散理论就不成立。

图2吸附理论

认为胶合作用是胶粘剂与被胶接物分子在界面层上相互吸附而产生的。这种吸附力是分子之间的相互作用力——次价力所引起。它包括伦敦力及偶极—偶极吸引力如氢键和偶极—诱导偶极吸引力。伦敦力是由于原子的极化作用,而产生的瞬间引力。而偶极—偶极吸引力和偶极—诱导偶极吸引力发生在含永久性偶极的分子与相邻分子之间。这些次价力强度在0.1~40千焦每摩(kJ/mol)之间。吸附理论至少在某种程度上可以说明各种胶合现象。次价力能单独说明多数胶接中产生胶接强度的原因。

化学结合理论

认为胶合作用是由于胶粘剂与被胶接物之间在界面上的化学力——主价力相结合而产生的,通过胶粘剂与被胶接物分子之间产生的化学反应,形成化学键,而得到牢固的化学结合力。如聚氨酯系胶粘剂的异氰酸酯基(—NCO)和木材的羟基(—OH)进行化学结合。化学结合可能形成离子键、共价键或金属键,胶接强度在50~1100千焦每摩之间,化学结合理论与扩散理论有密切关系。

静电理论

由杰里亚金(Б.В.Дерягин)提出,在胶粘剂与被胶接物质的电子占有不同能量的情况下,可能在两个表面之间有电子传递,由于这种电子传递界面的两边带相反电荷,形成双电层,相互吸引而胶合。这种电子吸引作用被认为是一种附加的补偿因素,而不是胶接作用的主因。对多数胶粘剂来说,这种静电吸引力是微小的。

极性理论

当被胶接物与胶粘剂都是极性物质时,胶合很容易进行。对于极性物质必须使用极性胶粘剂胶合;对于非极性物质必须使用非极性胶粘剂胶合。也有例外的情况,有时也发生极性物质和非极性物质胶合的现象。

弱界面层理论

认为从胶合部位被破坏的情况来分析,胶粘剂层与被胶接物表面间形成的弱界面层会影响胶合,必须尽可能消除弱界面层,才能增加胶接强度。

九环理论

这个概念把胶合作用看作类似链的联结环,其中任何一个环的破坏就导致整个链的破坏。最初把胶合作用设想成三环,即胶粘剂层和两边的被胶接木材(图3中1、8、9环),对改进胶合操作和使用的胶接性能提供了重要依据。但它已被证明对深入了解胶合理论只是一个敲门砖,以后研究开始集中在产生基本胶合作用的木材与胶粘剂之间的界面上(图3上的4与5环)。4与5环表示链中新增加的环节,其中任一环可能是造成胶合不良的原因,五环理论给研究胶合现象提供了良好的基础。在以后的实践中尽管提高了试验的精确性,研究者往往发现干扰他们研究结果的变异现象。在良好的胶合条件下胶接强度低而木材破坏率高,于是就怀疑到有些重要因子仍然没有受到约束,最后发现问题是在木材表面下的区域。当木材表面进行切削加工时在这个区域往往造成早期破坏,影响胶接强度的发挥。这个表面下的区域视为链节中另一个关键环(图3将这个新因子表示为6与7环)。在深入研究胶层中胶粘剂组分的作用以后构成了链节中最后的两个环(在图3上表示为2与3环)。例如,当胶粘剂与木材接触时靠表面最近的溶剂被吸入木材,造成在胶膜中溶剂的递减率。同样,胶粘剂的较小分子比较容易移动并能较快地向胶膜表面扩散,因而更便于渗入到木材较细的孔隙中。这些作用对形成长期性能的胶接可能既有好的作用又有坏的作用。即一方面较小的分子渗入细胞壁的微细结构促进增强粘附力,并修补了在木材表面下破坏了的区域;另一方面胶粘剂分子过多向木材渗透,会引起残留的胶膜变成仅是一层填料,不能发挥胶粘剂本身的内聚强度,结果造成1环的破坏。九环理论是长期研究的结果,将来还会发现新的环节是完全可能的。

图3胶合与胶合破坏是一种复杂现象,包含的因素甚多,至今尚无一种完整的理论。对各种胶接系统来说,各种胶合理论的影响不能孤立地分开。每种胶合理论的相对重要性取决于被胶接物和胶粘剂的物理和化学性质

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