膠粘劑工作原理概述

在現代製造業和日常生活中，膠合劑因其使用方便，對於被黏接對象相容性好等優點，使用量日益增加。今天，我們透過下文一起來看下，膠黏劑是如何運作的。M+材料庫歡迎您咨詢，文章的主要內容分為兩個方面，第一部分介紹膠合劑自身強度的來源，第二部分介紹膠合劑黏接界面強度的來源。 

01. 膠黏劑自身強度來源

大家在日常使用的黏合劑，大部分都是液態，或是說流動狀態的，這裡膠帶除外，後面單獨介紹。這種狀態方便我們在使用過程中塗覆在各種被黏接表面，但是如果希望這個黏接穩定可靠，當然需要將其硬化。因此，以下可以透過不同硬化方式將膠合劑進行分類。

首先概述一下，膠黏劑的硬化，所形成的聚合物一般是線性的或是交聯的。一般聚合物的交聯可以是溶解度降低，Tg點升高，且減少蠕變，因此承受力學負荷的結構膠，一般都是交聯的。

● 因失去溶劑而硬化：這種黏合劑一般是聚合物在有機溶劑中的溶液，塗覆在被黏接物體表面後，透過溶劑蒸發，實現連接，典型例子是氯丁橡膠（聚氯丁橡膠） ；
● 因失水而硬化：受到環保、健康等方面的驅動，膠合劑產業上希望可以用水基取代上面的溶劑，但這也存在兩個明顯的問題。其一是誰的蒸發速率低，汽化焓比較高（見圖1）；其二是後續使用過程中，對水敏感，容易發生吸水失效。過去常用的貼春聯的漿糊就是這種。

圖1 常用溶劑的汽化焓

● 經冷卻而硬化：熱熔膠，通常是一種單組分材料，透過加熱以液體狀態塗覆在被黏接物體表面，冷卻後形成黏合。但是當黏接金屬這種導熱較快的基材時，會因為快速降溫硬化而導致潤濕性不好。
● 通過化學反應硬化：以環氧類結構膠和丙烯酸類結構膠為代表，都是採用化學反應來實現交聯的。這種方式的優點是揮發物少、固化收縮率低。圖2所示為以雙酚A為基礎的二縮水甘油酯醚，是最常用的環氧樹脂。除了上面兩種之外，還有厭氧膠、聚氨酯、有機矽膠等等。

圖2 基於二縮水甘油酯醚的商用環氧樹脂

● 壓敏黏接：以膠帶為代表的壓敏膠，通常是丙烯酸類。

02. 膠合界面強度來源

上面從膠水固化角度介紹不同的膠合劑，以下將重點放在不同的膠合劑如何在界面上產生強度。

● 物理吸附：是指膠黏劑與被黏物表面之間的范德華力作用，它是分子間作用力的體現，一般分為三種類型，①極性分子的永久偶極矩之間的相互作用。 ②一個極性分子使另一個分子極化，產生誘導偶極矩並相互吸引。 ③分子中電子的運動產生瞬時偶極矩，它使鄰近分子瞬時極化，後者反過來增強原來分子的瞬時偶極矩；這種相互耦合產生靜電吸引作用，這三種力的貢獻不同，通常第三種作用的貢獻最大。
● 化學鍵：是指膠黏劑與被黏物形成共價鍵、離子鍵或氫鍵等化學鍵。這些化學鍵的強度遠高於物理吸附力，能夠顯著提高黏合強度。例如，矽烷偶聯劑能夠在金屬和聚合物之間形成穩定的化學鍵，從而提高黏合性能。下面表格是化學鍵和范德華相互作用的典型強度。

● 靜電作用：是指膠黏劑和被黏物之間因電荷分佈不均而產生的吸引力。這種作用在某些特定條件下，如膠黏劑和被黏物帶有相反電荷時，可以提供額外的黏合力。
● 機械聯鎖：是指膠黏劑滲入被黏物表面的微觀凹凸結構中，透過機械互鎖來提高黏合力。目前聚丙烯的熱塑性黏合劑與木材(橡木)的機械互鎖已通過掃描電子顯微鏡證明。此膠合劑穿透15 μm的孔徑，深度大於150 μm，在直徑較大的孔洞可穿透至數百μm的深度。但值得強調的是，針對金屬表面的噴砂等增加表面粗糙度的處理，雖然在結果上增加了粘接力，但是其作用機理並不僅僅是增加機械聯鎖這一作用這麼簡單。
● 擴散理論：存在少數聚合物，可以在特定相互作用下，變得相容，消除了初始的邊界。