木材胶合基本理论

1木材胶合基本理论

随着世界木材资源的日益匮乏，合理有效地利用木材和竹材资源显得越来越重要，粘接木材和竹 材是增加其使用范围提高其价值的重要方法。为此研究木材和竹材的粘接性能和粘接技术，对于开发 木质和竹质粘接材料具有重要的理论价值和现实意义。

两种相同或不同的材料A、B用介于两者之间的第三种材料C来结合成一体的现象和操作称为粘 接。材料A、B称为被粘接材，材料C就称为胶黏剂。

1.1 胶合强度的产生

国内外学者把木材粘接时胶合强度的形成过程分为以下5个步骤：流动、传递、渗透、润湿和固 化。

（1）流动

流动指的是液体胶黏剂在基材外部表面的铺展，胶黏剂只有流动才能填满被粘接面的空隙，胶黏 剂的流动性与涂胶时间、操作温度、胶黏剂的组分以及树脂分子量等因素有关。

（2）传递

传递是指木材组件涂胶装配时导致的液体胶黏剂向相邻层木材表面的转移。 （3）渗透

渗透指的是由于在压力的作用下，胶黏剂依靠毛细管作用而渗入木材细胞腔中的现象。木材属于 多孔性材料，增加胶层和被粘接材间的接 触面积有助于提高胶合强度，而增加粘接 面积可由提高胶黏剂的渗透程度来完成。 胶黏剂固化过程中施加的压力有利于胶黏 剂对木材充分浸润，特别是对粘度较大的 胶黏剂，固化过程中应该施加较大的压力， 这样有利于胶黏剂分子对木材的渗透和浸 润。

当胶黏剂渗入木材表面的凹陷处时， 会象钉或锚那样产生投锚效果（投锚力）， 形成“机械的粘接”。水性高分子异氰酸酯 胶黏剂（API）粘接白桦弦切面和柞木弦 切面时形成的“胶钉”情况分别见图1-1 和 1-2。

机械粘接是由于胶液渗入木材表面敞开的管孔中形成的，胶液渗透到木材中的程度与胶合强度有 关。粘接时，胶液应能浸润木材细胞的孔壁并排除微孔内的空气。胶黏剂渗入木材细胞中的孔隙，固 化后形成“镶嵌”、“啮合”，才可获得较高的胶合强度，胶液能

图1-2柞木弦切面粘接时水性高分子异氨酸酯（API） 胶黏剂的渗透情况（端面切片）

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够渗入木材细胞的孔隙内是木材机械粘 接的关键之一。锯、刨、砂等机械加工影响木材表面形态。Liptakova

E在研究砂磨对木材表面化学组 分变化和表面自由能变化的影响时发现，砂磨处理后的木材表面木材纤

维与组织被撕裂，木材表面受 到机械损伤，砂磨的粉末易堵塞木材中的孔隙，影响木材机械的粘接。

Chung-Yun Hse认为粘接前对

木材表面进行刨光加工比砂光加工对粘接强度的提高甚至更有效。对木材表面轻微的刨光不但可移走 表面污染物，同时也可以暴露出具有很强极性的细胞壁次生壁 S2层，这对粘接是非常有利的。

（4）润湿

润湿可以使胶黏剂与被粘面充分接触，这样才能产生更大的粘接作用力。润湿不仅仅发生在木材 外部表面，它同时对液体胶黏剂沿细胞壁的运动也有帮助。胶黏剂在固化过程中施加的压力有利于胶 黏剂对被粘物的充分浸润，特别对粘度较大的胶黏剂固化过程中应该施加较大的压力，有利于胶黏剂 分子与被粘物表面紧密接触。

胶黏剂在流动浸润的同时，产生“扩散”和“吸附”作用。 （5）固化

最后发生的过程即为固化。在固化过程中形成各种吸附作用，以此产生最主要的粘接作用。在固 化过程中的最大问题是易产生内应力。胶黏剂在溶剂蒸发、聚合、缩合等过程中，体积收缩产生收缩 应力，同时胶层与被粘物二者之间因膨胀系数不同，受热或冷却会产生热应力。体系中的内应力可随 着胶黏剂分子的蠕动而减小。在胶层分子蠕动不足的情况下，体系内始终存在内应力。由于内应力的 存在容易引起粘接面剥离，并使胶合强度显著降低。为使这种残留应力趋于缓和，可采取在胶黏剂中 适当加入增塑剂和填料等方法。

总之，胶合强度的形成是一个复杂的过程，简单地说，胶合强度的形成主要是由胶黏剂在被粘材 料表面上的浸润和粘附而连接起来的。所谓粘附是由胶黏剂和被粘材料在界面上的机械嵌接力，分子 之间的作用力和个别化学键力所形成的。因此，如果从分子的角度来考虑木材粘接时胶合强度的形成 过程，一般可简单地分为以下两个阶段： 第一阶段：

液态胶黏剂分子借助布朗运动向木材表面扩散并逐渐靠近木材表面，对木材表面浸润。

压力作用或胶黏剂本身由于加热使粘度降低都有利于胶黏剂分子及其链节与木材表面的接触。尤 其在木材粘接制品的热压过程中由于热压压力和热压温度的同时作用使这种效果更加明显。 第二阶段:

当胶黏剂分子非常接近木材细胞分子时产生吸附作用。

当胶黏剂分子与木材表面的分子间的距离接近至1nm左右时，由分子间作用力引起二次结合便开 始起作用，并随着胶黏剂分子与被粘物表面分子间距离的进一步减小而增至最大，当木材和胶黏剂间 存在化学结合（一次结合）时又产生所谓的“比粘接”。

①范德华力 Van der Waals bonds

提供键能2〜42 kJ/mol,与真正化学反应能相比很低，但对于获得好的粘合已经足够。

木材是一个极性表面，所以应该使用极性胶黏剂与其粘接，如使用脲醛树脂胶黏剂，异氰酸酯胶 黏剂，环氧树脂类胶黏剂，乙烯类胶黏剂等。

②氢键力 Hydrogen links

木材纤维素中分子含有羟基-OH,当胶黏剂中也包含羟基组分（如苯酚类，脲醛树脂UF）,粘接时形 成氢键力（图1-3 ）。氢键力将形成在纤维素与脲醛树脂、酚醛树脂分子之间。

图1-3木材纤维素分子含有羟基-OH与酚醛树脂中的-OH形成的氢键结合

③化学键 True chemical links

在木材组分和胶黏剂之间发生化学反应将得到很强的粘接。如异氰酸酯胶黏剂（图 1-4 ）。木材中

含有约50%〜55%的纤维素，15%〜25%的半纤维素及20%〜30%的木质素。无论是纤维素、半纤维素还 是木质素含有大量的羟基，可以与异氰酸酯反应。

图1-4异氰酸酯胶黏剂中异氰酸酯基与纤维素分子的羟基反应形成的化学键结合

由于化学键对胶合强度有相当大的影响，所以，早就为人们所重视。Donaldson和Lomax研究了 胶黏剂的分布以及胶黏剂和纤维之间的相互作用；Zaporoshskaya等利用IR分析测试技术研究胶黏剂 和基材间反应所生成的衍生物；Ball G.W等研究证实了纤维素与4,4,一二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI） 胶黏剂之间发生化学反应生成氨基甲酸酯键；Paul R.Steiner等也研究了 MDI与木材间的反应，证明了 MDI可与木素、纤维素发生反应。胶黏剂与被粘物分子之间产生化学反应而获得高强度的共价键结合， 有利于提高胶合强度，防止裂缝扩展，也能有效地抵抗应力集中和气候环境老化等因素的影响。

用异氰酸酯类胶黏剂粘接木材时，胶黏剂 中的异氰酸酯基就可与木材上的羟基发生反 应，形成化学键结合，图1-5是水性高分子异 氰酸酯（API）胶黏剂、API胶黏剂与桦木的界 面以及桦木的傅立叶红外光谱图。从图1-5的 三个图谱发现，在API胶黏剂与桦木界面2的 红外光谱图中波数为2270 cm-1左右的吸收峰 的强度减弱。而在波数约为2270 cm-1左右的吸 收峰为异氰酸酯的累积双键（N=C=O ）的不对 称吸收峰，它是API胶黏剂的最重要的特征带， 异氰酸酯的累积双键（N=C=O ）的反应程度可 由

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 4000

2000

Wavenumbers （cm-1）

图1-5 API胶黏剂、API胶黏剂与桦木的界面以及 桦木

的显微镜傅立叶红外光谱图

1为API胶黏剂； 2为木材和API胶黏剂的界面; 3为桦木

此带的强度来判断。

对比API胶黏剂与桦木的界面图谱中N=C=O 吸收峰与API胶黏剂的傅立叶红外光谱图中N=C=O 吸收峰的强度可见，界面中的N=C=O的强度减弱，由此可以推断，API胶黏剂中的N=C=O基在粘接 的整个体系中由于与木材中的某些基团发生反应而使其强度减弱。

W-OH + OCN-R-NCO ------------------------ W-Q-C—NH — R—NH -^-Q-W

尽管上面我们把木材粘接时胶合强度的形成人为的分为两个过程，但实际中这两个过程不能截然 分开，在胶黏剂由液体变为固体前都在进行。

近年来用电子显微镜（SEM）观察胶层中的胶黏剂的结果看出，对于木材这样的多孔性被粘接材来 说，不同胶种的机械的粘接对提高胶合强度是不同的。但主要决定胶合强度的是由被粘接材和胶黏剂 间的化学结合而产生的“比粘接”，即胶黏剂的成分中具有能与木材中的羟基产生化学结合的成分时， 其结合力最大。这也正是用异氰酸酯类胶黏剂粘接的木材胶合强度高，特别是湿状木材胶合强度高的 原因所在。

1.2 粘接的破坏及评价

1.2.1 粘接接头的结构

粘接接头是由胶黏剂与被粘物表面依靠 粘附作用形成的，它是一个复杂的系统，根 据粘接接头材料的微观结构，也就是胶黏剂 与被粘材料之间物质的分布梯度，可简单划 分为五层，被粘接物（木材）、被粘接物与胶 黏剂的界面层、胶黏剂、被粘接物与胶黏剂 的界面层、被粘接物（木材），即五节环理论 （图 1-6）。

图1-6木材粘接接头的示意图

若把胶黏剂渗透进木材的部分及其与木材的交界层各作为一层考虑，则可称作九环理论。 1.2.2 粘接的破坏及评价

粘接接头在应力-环境作用下会逐渐发生破坏。

木质材料粘接接头是由许多部分组成，它们彼此的力学性能相差很大，例如，被粘接材料木材是 弹塑性体，而胶黏剂则是粘弹性体，因此，粘接接头在承受外力作用时，应力分布是非常复杂的。

另外，胶黏剂在固化过程中伴随着溶剂挥发、缩聚反应时小分子产物逸出或在加聚反应中出现的 原子间距离缩短现象，因而，体积有严重的缩小，引发收缩内应力，这种在粘接接头形成使用过程中， 由于胶黏剂固化过程中体积收缩而产生的应力经常被称为收缩应力。如液体胶黏剂的固体含量一般为 20%-60%，这是固化过程中体积收缩极为重要的原因。热固性胶黏剂固化反应的体积收缩率分布范围较 宽。例如，环氧树脂胶的收缩率一般为2.5%〜5%，缩聚反应有低分子产物生成，体积收缩较大。酚醛 树脂胶黏剂固化时有水生成，收缩率是环氧树脂胶黏剂的5〜10倍。

收缩内应力的大小和胶层受到被粘物刚性拘束后（此时胶黏剂已失去流动性）发生的体积收缩有 关，当胶黏剂处于流动状态时，体积收缩可以得到补偿，若被粘物初压力不足时，即会使被粘物相互 脱离而导致粘接失败。

另外，由于被粘物、胶黏剂的热膨胀系数不同，受到环境介质的作用等，都造成接头中的内应力， 且内应力的分布也是不均匀的。

外应力和内应力的共同作用，构成粘接接头在受载时极为复杂的应力分布。而由于粘接接头内部 缺陷（如气泡、裂缝、杂质）的存在，更增加了问题的复杂性，造成了局部的应力集中。当局部应力 超过局部强度时，缺陷就能扩展成裂缝，进而导致粘接接头发生破坏。其破坏的程度取决于应力、温 度、水及其他有害介质等环境因素和粘接体系抵抗应力-环境作用的能力。

粘接接头的强度是人们十分关心的问题。粘接接头强度取决于以下三个方面，即被粘接材料的强 度、胶层本身的强度和界面结合强度。胶层的强度由胶黏剂的类型、弹性常数、厚度、密度等决定。 界面结合强度取决于胶层和被粘接材料之间的界面结合力，与界面状况有关。粘接接头的破坏是从组 成该结构的薄弱部分开始的。

图1-7是按五环理论粘接接头的组成图。图中FC为已固化的 胶黏剂的内聚力，FW为木材本身的强度，FV表示木材和胶黏剂 之间的结合力。当受到外力作用时，应力就分布在组成这个接头 的任一部分中，而组成接头的任一部分的破坏都将导致整个接头 的破坏，因此一个粘接接头的机械强度与组成这个接头的每一部 分的内聚力及相互之间的粘附力均有密切的关系。

若将两物件用胶黏剂的对接方式粘接起来，在外力拉伸下， 粘接破坏可能发生在三个均匀相部分或是发生在两个界面区。根

图1-7按五环理论粘接接头的组成图

据粘接接头发生破坏的位置不同，一般分为四种破坏类型：（1）

木材破坏（被粘接物的破坏）；（2）粘接破坏或界面破坏；（3）内聚破坏；（4）混合破坏。如图1-8 所示。

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（1）木材破坏（被粘接物的破坏）

（2）粘接破坏或界面破坏

（3）内聚破坏

（4）混合破坏。

图1-8粘接接头破坏类型示意图

（1）木材破坏（被粘接物的破坏）

在破断面上，看不见胶层，只能看见木材，这种破坏称木材破坏（被粘接物的破坏）（图1-8（1））。

这种情况发生在无论是胶黏剂的内聚力还是木材和胶黏剂之间的结合力都比木材本身的强度高， 最弱的环节是木材强度FW木材发生破断，因此可认为此种破坏是最好的粘接类型，这种情况常称做 木破率100%，但在实际上，这种破坏情况和其他形式往往混在一起，在多数情况下，胶层和粘接面都 能看到一些。木材破坏面积与整个接头面积的百分比表示木材破坏率，与胶合强度一起记录下来，可 帮助评价粘接性能。

图1-9为用水性高分子异氰酸酯胶黏剂粘接的落叶松弦切面粘接试件的破坏情况，木破率为

100%。

木破率100% 的木材破坏， 破坏发生在落 叶松早晚材急 变的交界处或 轮界处

图1-9用水性高分子异氰酸酯胶黏剂粘接的落叶松弦切面胶合强度试件的破坏情况

（2）粘接破坏或界面破坏

破坏发生在胶黏剂与被粘物界面上，在破断面的一面可见胶层，但另一面看不见胶层，这种破坏 称界面破坏（图1-8（2））。

这种情况发生在木材与胶黏剂的表面之间，因而，此时木材和胶黏剂之间的附着力 FV最小，这种 破坏的主要原因是由被粘接材料的可粘性差造成的。根据Bikerman的弱界面层理论，完全的粘接界面 破坏实际上是不存在的。通常我们指的粘接界面破坏，实际上总是伴随着被粘接物或胶黏剂的表面层 的破坏。实验证明，在发生界面破坏的被粘接物的表面上，即使肉眼看不到胶黏剂的残留物，但用显 微镜或精密的仪器观察，总能检测到残留物，此时的破坏强度与胶黏剂和被粘接物的表面强度有关， 也与胶黏剂和被粘接物间的胶合强度有关。

对于被粘接材料表面的粘附决定粘接接头的强度和耐久性的情况下，正确地处理被粘材料表面是 一个极其重要的问题。被粘材料的表面处理的作用主要有三方面：①除去妨碍粘接的污物及疏松质层； ②提高被粘材料的表面能：③增加表面积。

对于木材粘接，可采用下面的机械和化学方法对木材表面进行处理。 I表面机械处理

机械处理有利于表面洁净，并形成一定的粗糙度。粘接前在木材表面轻微地砂光或刨光是一种快 速而经济地移走各种类型表面污染物的方法。

Gray（1962）发现，经砂磨的木材表面润湿性显著增加。他认为砂磨后木材表面润湿性显著增加 是

由于砂磨使木材表面积增加、表面粗糙度的改变或者是由于除去了表面积聚的抽提物和其它污染物。 国内学者欧年华在研究砂磨对木材表面化学特征的影响时发现，除了 Gray认为的原因外，木材表面经 砂磨后能产生机械自由基，这些机械自由基中一部分与氧反应后生成以羰基为主的含氧官能团，这些 经砂磨后产生的自由基和随后生成的含氧官能团在木材表面的增加将提高木材表面的反应活性。

Liptakova E（1995）研究砂磨对木材表面化学组分变化和表面自由能变化的作用时发现，砂磨处

7 理后的木材表面木材纤维与组织被撕裂，木材表面受到机械损伤，木材表面的自由能与极性明显提高，

表面润湿性增加。Chung-Yun Hse（1988）认为粘接前对木材表面进行刨光比砂光对粘接强度的提高甚 至更有效。对木材表面轻微的刨光不但可移走表面污染物，同时也可以暴露出具有很强极性的细胞壁 次生壁S2层，这对粘接是非常有利的。

除了用这些机械方法处理木材表面外，采用其它处理方法使木材表面活化会产生高能量的表面， 这更有利于木材粘接。因为高能量表面更有利于氢键和共价键的形成，这要比低能量表面形成的范德 华力有更大的胶合强度。目前已有许多活化木材表面的技术。

II

直接用化学药剂对木材表面进行活化处理

国内外常用的氧化剂为H2O2、HNO3和NaOH，并常与一些可再生物质如硫酸盐木素结合起来使 用。

Chen，C. M .等认为用NaOH溶液或中性有机溶剂去除表面污染物是一种改善粘接性能的非常有 效

的方法。Roffael，V. E.和W . Rauch（1974）认为由抽提物和其他污染物（例如防腐剂和防火剂）引 起的

pH值的降低也可以通过在木材表面使用适量的NaOH溶液进行处理而得到改善。Garder（1990） 等研究

用H2O2、HNO3和NaOH溶液预处理阔叶材刨花，可明显提高PF胶刨花板的静曲强度和弹性 模量。

还有人采用5%的NH4cl和10%的氨水处理木材也收到比较好的效果。 川在粘接之前应用放射性能量进行表面活化处理

电晕处理在改善木材表面性质方面已显示出很好的发展前景。

Isao Sakata（1993）认为用电晕处理氧化活化含树脂的木材表面，可以提高木材粘接能力的原因 是电

晕处理会影响木材中苯醇抽提物，并氧化抽提物以产生醛基，但对木材表面主要组分的改性几乎 没有影响。经电晕处理和未经电晕处理的木材试样吸收碱性颜料有着相同的着色程度。

Ernst L. Back

（1991）认为电晕处理可导致木材表面自由能增加，接触角减小，因此可以提高木材的润湿性。

上原彳散（1987 ）研究电晕处理改善木材粘接性能。他采用连续放电改善木材粘接性能，研究表明 木材的润湿性和粘接性能随着处理程度的增加而增加，表面自由能也随处理程度的增加而增加。最佳 处理条件为：放电量0.533 kW/（min , m2），处理速度1.5m2/min，一次电流为4A。

最近国内学者杜官本（1998 ）等研究应用微波等离子体处理杉木表面，发现杉木表面经等离子体 处理后，接触角下降，即使处理条件十分微弱，处理效果仍然十分明显。他认为微波等离子体处理使 杉木表面形成粗化面，粗化面的形成可能是导致杉木表面接触角下降、润湿性提高的原因之一。国内 学者艾军（2001 ）研究用等离子体处理麦秸纤维表面也获得理想效果。

R. M. Nussbaum （1993 ）等用火焰处理对木材表面进行活化，其原理是由火焰提供的热量可促 进

氧化反应，研究表明火焰处理可提高木材表面的润湿性和粘接性能，并用 ESCA （化学分析光电子 能谱）研究了火焰处理木材表面的效果。其结果表明：经火焰处理，木材表面发生相当程度的氧化， 松木表面氧和碳的比率由未处理前的0.24提高到处理后的0.57。对C1S分峰处理后的结果表明：氧化 主要导致羟基基团（和酯）的形成，在某种程度上也导致羰基基团的形成。火焰处理除了可提高粘接 性能外，还有减少微生物活动和杀菌的效果，这对室外用人造板特别有利。

IV去除松脂

去除松脂的方法很多，有物理处理法（如蒸汽干燥法，红外线照射法等）、化学处理法（如药液处 理法）、综合处理法等多种形式。把难粘接的木材，如龙脑香属木材，在100℃的热水中煮沸24h，就 会抽提出占木材重量5%〜8%的水溶性树胶成分，而对粘接性能良好的柳桉等木材在相同条件下煮沸， 抽提成分只占0.1%〜0.2%。也可以在水或碱水里加入表面活性剂进行蒸煮。但这需要花费很多时间和 费用，在实际应用中存在一定难度（陈红，1999 ）。国内学者李坚在研究落叶松刨切薄木蒸煮工艺时 认为，蒸煮工艺应抓住松脂的排出、缓解应力和软化材质这三个主要矛盾，制定出落叶松刨切薄木最 佳蒸煮工艺为：保温温度95℃,保温时间15h，升温速度4℃/h。D. M . Brewis认为表面抽提物的含 量是影响胶合强度的主要因素，抽提物主要影响胶黏剂的渗透以及影响参与粘接的纤维素的数量不同。 Mon-lin

kuo等研究了抽提物对南方红栋和白栋粘接性能的影响，试验结果表明：把单板浸在 1%NaoH 溶液中可

以明显提高胶合强度。Chia-Ming Chen研究用溶剂去除木材表面抽提物，试件的胶合强度明 显提高，同时，抽提物可以提高木材表面的润湿性。同时试验结果表明：润湿性与 UF胶的胶合强度 有正相关关系，而对间苯二酚胶的胶合强度则没有相关关系。

V用金属粉末或金属化合物把难粘接木材中含有的水溶性树胶成分变成不溶性成分

日本学者明穗、美智子等人认为，只要把难粘接木材中含有的、特别是在粘接界面附近存在的水 溶性树胶成分变成不溶于水的成分，就会确保胶合强度。研究的结果表明，某些金属及其金属化合物， 可以满足这种需求。这类金属，是碱金属、铝金属、稀土金属；金属氧化物，如氧化铁、氧化亚铁、 氧化铝、氧化亚铅、氧化锑、硫酸铁、硫酸铝、硫酸亚铅等。把上述金属粉末或金属化合物单独或两 种以上混合在一起，在调胶时与固化剂、填充剂等一起加入胶黏剂里混合均匀即可。使用时加入量为 胶黏剂重量的1%以上。

上述金属粉末或金属化合物，把难粘接木材中含有的水溶性树胶成分变成不溶性成分的机理尚不 明确，推测可能是螯合反应的效果。.

在选择改善界面粘附力的方法时，要综合考虑处理效果、设备投资、环保卫生、操作安全等多方 面因素。 （3）内聚破坏

破坏发生在胶黏剂层内，在破断的两个面上，都能看到胶层，这种叫内聚破坏（图1-8 （3））。 这种情况发生在五环中的胶层环内，因而，胶黏剂的内聚力〃比木材强度

FW及木材和胶黏剂间 的附

着力b/J、。在发生内聚破坏时，接头的破坏强度主要取决于胶黏剂的内聚强度，这时可以通过换 用内聚力更强的胶黏剂的办法来提高粘接接头的胶合强度。 (4) 混合破坏

在破断面上的一面既能看见胶层，又能看见界面，叫混合破坏(图1-8 (4))；混合破坏是在粘接 结构的各部分的强度相近的情况下发生的。

对于上述的破坏类型，在实际工作中，都力争达到木材破坏，而避免界面破坏的发生。由于界面 破坏的主要原因是被粘接材料的可粘性差造成的，因此，当界面破坏发生时，可采用机械方法和化学 方法对被粘接木材进行处理以提高木材和胶黏剂之间的可粘性。当破坏是内聚破坏时，则应尽量提高 胶黏剂的内聚强度或换用内聚强度比较高的胶黏剂，以便充分发挥被粘接材性能。总之，理想的粘接， 粘接破坏时破坏的部位应发生在木质部，即木材自身的强度小于或等于胶层的强度以及胶黏剂层和木 材的界面强度。只有在这种情况下，才说明木材和胶黏剂间的搭配使用才是最合适的，组成的木材 胶黏剂-木材的粘接结构才是最理想的。

总之，接头强度取决于三个方面，即被粘接件的强度、胶层本身的强度和界面结合强度。胶层的 强度由胶黏剂的类型、弹性常数、厚度、密度等决定。界面结合强度取决于胶层和被粘接件之间的界 面结合力，与界面状况有关。现行的生产工艺应保证界面强度大于胶层强度。然而实践表明，粘接接 头在使用及存放过程中，由于受热、水、光、氧及其它腐蚀介质的作用，会发生性能退化，使胶层强 度和界面强度都下降，经常是界面强度下降更多，远远低于胶层强度，而成为决定整个粘接接头强度 的主要因素。如果继续使用，极易在界面处突然失效。特别是当粘接接头工作于潮湿、腐蚀介质等环 境中更是如此。老化试验表明，粘接接头的老化要比组成粘接接头的胶黏剂和被粘接材料本身的老化 问题复杂得多。

为了获得一个良好而持久牢固的界面粘附，以下两个条件至关重要：(1)必须创造尽可能大的吸附 作用表面积；(2)必须使吸附反应双方的分子甚至原子尽可能地接近，造成尽可能大的微观尺度上的浸 润，或深层浸润。

表面预处理是获得耐久粘接接头的一个重要因素，表面预处理的作用在于除去表面陈旧的、结合 力不强的氧化层、污染物，建立起化学吸附和范德华力的物理吸附，获得界面粘附的优异力学性质。 经过处理的表面有较高的表面能，可获得强度较高的粘接接头。常用的表面预处理方法有清洗、机械 法等。

-

1.3 界面结合的类型

一个粘接接头是一个多项体系，由三个均匀相和两个界面区域构成。界面结合的类型，可按界面 的结合力来划分。

界面的结合力一方面取决于微观的结合，即离子间、分子间、原子间的结合力，另一方面也要考

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虑宏观的界面结合，也就是胶黏剂浸透到木材凹凸的表面形成的“钉、钩、锚”的效果，但主要还是 胶黏剂与被粘物表面分子间的作用力。

人们也常常把粘接过程中的微观的结合力分为化学键、范德华力和氢键（图 1-10）。化学键又分 共价键、离子键和金属键。范德华力又包括色散力、偶极力和诱导偶极力。

'共价键

主主价键（一次键）：化学键］离子键

I金属键

结合力＜

‘色散力

范范德华力

:次价键（二次键）::

,氢键

偶极力 '诱导偶极力

图1-10界面结合力的分类

在界面结合中，人们往往关心界面反应。界面反应是胶黏剂和被粘接体表面间发生的反应或表面 化学处理时发生的反应等，用水性高分子异氰酸酯胶黏剂生产集成材时，胶黏剂中的-NCO就会与木材 主要成分中的-OH发生界面化学反应，产生化学键结合，使得产品的胶合强度较高。另外，为了使不 同物质间产生界面结合，也常常使用界面化学反应方法。例如：塑料-玻璃纤维结合时的玻璃表面的化 学处理，塑料-有机纤维结合时通过接枝反应等化学处理方法对纤维进行改性处理等。

1.4 粘接接头形成的基本条件

粘接接头主要由三个均匀相和两个界面区域构成，其间尚可划分出若干个过渡区域。界面区域内 的粘接作用是以离子、原子或分子间作用力为基础的。它包括：主价力，次价力，静电力和机械力等。 粘附力主要由前二者构成。

两种物质的分子或原子相互靠近时，当它们的距离达到化学键力或次价键力的引力场范围，则产 生吸附力。这是粘接接头形成的基本条件。

一般主价键力形成的化学吸附或次价键力形成的物理吸附，其力场作用范围不超过 1nm，产生最 强吸附力的范围为0.3〜0.5nm。其原子间距离与键能的关系见表1-1。

表1-1各种结合键的原子间距离与键能间的关系 结合种类 作用力名称 作用距离/nm

键能 /（ KJ/mol）

63〜710 590〜1050

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共价键

化学力*

0.1 〜0.2 0.1 〜0.2

离子键

金属键

0.1 〜0.2 113 〜347

色散力

0.3 〜0.5 0.3 〜0.5 0.3 〜0.5 0.2 〜0.3

< 42 < 21 <2 50

偶极力

次价力**

诱导偶极力

氢键

* 化学力即主价力，按键的形式可分为离子键、共价键和金属键三类，

**在有些文献上不将氢键包括在次价力中。

典型的主价键力，诸如共价键键能的范围为63〜710kJ/mol，原子间距离0.1〜0.2nm，氢键也是结 合力的主要来源。尽管氢键比共价键作用力要弱，氢键键能为50kJ/mol，原子间距离0.2〜0.3nm，但 氢键的数量对结合力却起着非常重要的作用。

要获得良好的粘接，要求液体胶黏剂和木材间分子紧密接触，胶黏剂与被粘材料的原子间距离越 小，则粘附力越强。成功的分子间的接触依赖于胶黏剂和被粘接木材表面的性质。因此，接触角和表 面自由能的测定是非常有价值的，因为它们有助于揭示液-固界面的粘接特性。实际上胶黏剂与被粘材 料表面之间，难于实现完全的分子接触。即使分子间距达0.5 nm左右，也只有少数分子接触。因此粘 接过程中，应当设法增加界面区的分子接触点密度。

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