1.1　膠接理論

19世紀40年代以來，許多學者對膠接理論進行了長期的多方面的探索和研究，以期得到一種能夠解釋所有粘接現(xiàn)象的膠接理論，或建立一個完整、全面的膠接理論，但是，迄今為止仍然沒有獲得成功。也許是因為膠黏劑的門類、品種太多，有無機膠、有機高分子膠，還有各種天然膠等，它們的材料差別太大；也許是因為膠接的對象（即被粘物）太多，有各種金屬材料、陶瓷材料、水泥材料、高分子材料以及木材、紙張、織物、石材等，它們的材質(zhì)千差萬別，由此膠接起來產(chǎn)生的粘接力大小各不相同，產(chǎn)生粘接力的來源也不同。學者們根據(jù)產(chǎn)生膠接的物理力、化學力、機械力以及靜電力的試驗與分析提出了各種粘接理論，現(xiàn)簡要介紹如下。

1.1.1　吸附理論

一切原子或分子之間都存在著相互作用的力，這種作用力可分為強作用力（即主價力或化學鍵）和弱作用力（即范德華力或偶極力）。而吸附分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是分子間力的吸附，即范德華力作用的結(jié)果；化學吸附是發(fā)生在化學反應形成的化學鍵的吸附。

吸附理論認為，膠接產(chǎn)生的黏附力主要來源于膠與被粘物之間界面上兩種分子之間相互作用的結(jié)果，所有的液體-固體分子之間都存在這種作用力，這些作用力包括化學鍵力、范德華力和氫鍵力。膠黏劑分子與被膠接材料表面分子的相互作用過程有兩個階段，首先是液體膠黏劑分子由布朗運動向被膠接材料表面移動，使二者所有的極性基團或鏈節(jié)相互靠近，在此過程中可采用升溫、施加壓力、降低膠黏劑液體黏度等措施，都有助于布朗運動的加強。其次是吸附力的產(chǎn)生，當膠黏劑的表面分子與被膠接材料的表面分子間距離小于0.5nm時，分子間便產(chǎn)生吸附作用，就產(chǎn)生了范德華力或氫鍵力的結(jié)合，并使分子間距進一步縮短達到能處于最大穩(wěn)定狀態(tài)的距離，完成膠接作用。根據(jù)吸附理論，如果膠分子中極性基團的極性越大，數(shù)量越多，則對極性被粘物的膠接強度就越高，但膠黏劑的極性過高，有時會嚴重妨礙潤濕過程的進行；極性膠黏劑與非極性被粘物或非極性膠與極性被粘物粘接，由于分子間排斥，不利于分子的接近，不能產(chǎn)生足夠的分子間力，所以粘接力很差；而非極性膠與非極性被粘物結(jié)合，由色散力產(chǎn)生的粘接強度較小。

吸附理論把膠接主要歸結(jié)于膠黏劑與被粘物分子間力的作用，但它不能充分解釋膠與被粘物之間的粘接力有時大于膠黏劑本身這一事實；也不能很好解釋有的膠極性大，而粘接力差，有的膠極性小，卻粘接力大的現(xiàn)象等，這不僅說明這一理論的局限性，而且它所能解釋的現(xiàn)象中，也有例外的情況。

1.1.2　擴散理論

擴散理論認為，高分子材料之間的粘接是由于膠黏劑與被粘物表面分子或鏈段彼此之間處于不停的熱運動引起的相互擴散作用，使膠黏劑與被粘物之間的界面逐步消失，變成一個過渡區(qū)，最后在過渡區(qū)形成相互穿透的交織的牢固結(jié)合，膠接接頭的強度隨時間的延長而增至最大膠接強度。如果膠黏劑是以溶劑的形式涂覆到被粘物表面，而被粘物表面又能在此溶劑中溶脹或溶解，則彼此間的擴散作用更為顯著，其膠接強度就越高。因為膠黏劑和被粘物間的相互擴散是產(chǎn)生膠接力的主要因素，膠接強度與它們的相容性有關(guān)。

因此擴散理論強調(diào)兩點：一是膠黏劑的大分子與被膠接材料的表面要相容，即溶度參數(shù)相近；二是強調(diào)擴散。這樣才能形成良好的過渡區(qū)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，獲得更好的膠接強度。

但是，擴散理論對不同聚合物材料之間的粘接作用還不能作完滿的解釋，對聚合物材料與金屬、陶瓷、玻璃等材料之間的粘接幾乎無法解釋。

1.1.3　化學鍵理論

化學鍵理論認為膠接作用主要是化學鍵力作用的結(jié)果，這是一種由化學反應產(chǎn)生化學鍵觀點來解釋粘接現(xiàn)象的理論。該理論認為，膠接作用是由于膠黏劑與被粘物之間的化學結(jié)合力而產(chǎn)生的，有些膠黏劑能與被粘物表面的某些分子或基團形成化學鍵。化學鍵包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵，而化學鍵是分子中相鄰兩原子之間的強烈吸引力，一般化學鍵要比分子間的范德華力大一兩個數(shù)量級，這種化學鍵的結(jié)合十分牢固。由于化學鍵對膠接強度有相當大的影響，所以早就被人們所重視。化學鍵理論被許多事實所證實，在相應的領(lǐng)域中是成功的。尤其重要的是，界面有了化學鍵的形成，對膠接接頭的抗水和介質(zhì)腐蝕的能力有顯著提高，這是不可忽視的。當然，界面化學鍵的形成對抗應力破壞、防止裂縫擴展的能力也有積極作用。

但這僅限于某些特定的反應性的膠黏劑品種中。如果在粘接中或多或少是由化學鍵產(chǎn)生的粘接力，那么粘接強度就要高得多。遺憾的是，在現(xiàn)有的粘接中，由化學鍵力產(chǎn)生的粘接力很少，這也許就是到目前為止粘接強度還不是很高的原因之一。

1.1.4　配位鍵理論

配位鍵理論認為，強的黏附作用來源于膠黏劑分子與被粘物在界面上生成的配位鍵（氫鍵就是一種特殊的配位鍵）粘接時，膠涂覆在被粘物表面后，受被粘物表面的吸引，膠黏劑開始潤濕被粘物材料表面，同時膠分子向被粘物材料移動。在移動過程中，膠分子中帶電荷部分（通常是帶未共享電子或x電子的基團）逐漸向被粘物材料帶相反電荷部分靠近，當這兩部分距離小于0.35nm時，就結(jié)合形成配價鍵。配價鍵的形式依據(jù)膠與被粘物材料的不同而不同，常見的有含有未共享電子對的膠與金屬形成的配價鍵和膠與被粘物材料之間含有未共享電子對，或給電子部分與缺電子部分或氫離子形成電荷轉(zhuǎn)移配價鍵。

黏附性來源于界面上的配位鍵，生成配位鍵既需要提供未共享電子對的一方，又需要接受電子對的一方。就是說比較理想的粘接應當是，當被粘物材料是電子供給體則應采用電子接受體材料的膠黏劑進行粘接；當被粘物材料是電子接受體，則應采用電子供給體的膠黏劑進行粘接。如果在粘接中，膠黏劑與被粘物均能提供電子對或均為接受電子對的一方，則粘接就很難成功。聚四氟乙烯材料之所以難以粘接就是典型的例子，因為聚四氟乙烯可以提供電子對，而一般的膠黏劑大多可提供電子對，這樣兩者都能提供電子對，膠接時不能產(chǎn)生黏附的配位鍵，這就是聚四氟乙烯難粘的原因之一。

另外，金屬之所以容易粘接是因為其中的金屬原子都有空的價軌道，能夠接受某些未共享電子對或π鍵，生成配位鍵，膠黏劑分子能有效地提供未共享電子對或π鍵，跨過界面生成配位鍵。再例如，環(huán)氧樹脂之所以具有很好的粘接性，從最簡單的分子結(jié)構(gòu)看，它有4個氧原子2個苯環(huán)，從配位鍵機理分析，它應對金屬有很好的黏附性，因為4個氧原子有8個配位能力很強的未共享電子對，還有2個具有共軛π鍵體系的苯環(huán)。另外分子中沒有大的烷基鏈構(gòu)成位阻，這就使它成為粘接金屬材料的佼佼者。

配價鍵理論似乎比其他膠接理論能夠更好地、更本質(zhì)地解釋各種粘接現(xiàn)象，在道理上說得通，實踐中能得到驗證，但絕不能否定其他理論，而是現(xiàn)有理論的深入探討和補充。

1.1.5　機械結(jié)合理論

機械結(jié)合理論是最早提出的理論。理論認為，膠接只是一個機械結(jié)合過程，是膠黏劑對兩個被粘物的粘接面機械附著作用的結(jié)果。它是以所有固體表面均為粗糙、多孔為基礎(chǔ)，當膠黏劑流動、擴散、滲入、填滿凹凸不平、細小孔隙的被粘物表面后，一旦膠凝固或固化，膠與被粘物表面便通過互相的咬合而連接起來，形成了無數(shù)微小膠黏劑的“釘鍵”“鉤鍵”“根鍵”“榫鍵”，把兩個被粘物牢牢地結(jié)合在一起。因此，機械結(jié)合理論認為：膠釘越多，膠黏劑滲透得越深，孔隙填充越滿，膠接強度越高。

很明顯，機械結(jié)合力對膠接強度的貢獻與被粘物材料的表面狀態(tài)有關(guān)。對金屬特別是玻璃等表面缺陷比較小的材料的粘接，機械結(jié)合力對粘接強度貢獻甚小；而對海綿、泡沫塑料、織物、紙張等多孔性材料的粘接，機械結(jié)合力則占主導地位；對非極性的多孔材料的粘接，機械結(jié)合力則起著決定性作用。因此，機械結(jié)合理論不能解釋非多孔性，如表面光滑的玻璃等物體的膠接現(xiàn)象，不能解釋許多膠接現(xiàn)象，具有一定的局限性。

1.1.6　雙電層理論

雙電層理論是將膠黏劑與被粘物視作一個電容器。電容器的兩塊夾板就是雙電層。即當兩種不同的材料接觸時，膠分子中官能團的電子通過分界線或一相極性基向另一相表面定向吸附，形成了雙電層。由于雙電層的存在，欲分離雙電層的兩個極板，就必須克服靜電力。當被粘物與膠黏劑剝離時，可以視為兩塊極板的分離，此時兩極之間便產(chǎn)生了電位差，并隨著極板間的距離增大而增大（即隨著剝離力的增大兩者之間的距離增大），到一定極限值時，便產(chǎn)生了放電現(xiàn)象，在黑暗時會有發(fā)光的放電現(xiàn)象和聽到輕微的爆聲。此時，由于雙電層的形成，膠黏劑與被粘物之間就有靜電力產(chǎn)生，從而產(chǎn)生了粘接力。

雙電層理論只存在于能形成雙電層的粘接體系，不具有普遍性，并且雙電層所產(chǎn)生的靜電力即使存在于某些粘接體系中，但是，它在這個粘接中絕不是起主導作用的，它只占整個膠接力的一部分。

另外，雙電層理論不能解釋許多聚合物在粘接剝離時并沒有放電現(xiàn)象發(fā)生，也不能解釋當兩個聚合物性質(zhì)越相近，粘接力越大，但兩個同性聚合物接觸時，電位差卻小的現(xiàn)象等。因此雙電層理論也有一定的局限性。

1.1.7　其他粘接理論

除了以上介紹的幾種膠接理論外，還有學者提出一些其他膠接理論，諸如極性理論、弱界面層理論等，極性理論認為，膠接與膠黏劑和被粘物材料的極性有關(guān)，極性材料應用極性膠黏劑粘接，非極性材料應用非極性膠黏劑粘接；弱界面層理論并不是真正解釋粘接原理的理論，它認為被粘物表面的弱界面層對粘接影響很大，強調(diào)被粘物表面弱界面層的處理，利于浸潤的問題。

可以看出，以上每種理論都不能夠解釋所有的粘接現(xiàn)象，有的只能解釋一種或幾種膠接現(xiàn)象，而僅僅反映了粘接現(xiàn)象本質(zhì)的一個側(cè)面。有學者認為，粘接的吸附理論和擴散理論是膠接的形成過程，而雙電層理論則是粘接形成后的一種結(jié)果，都不是產(chǎn)生粘接力的實質(zhì)，膠接的實質(zhì)應當是膠黏劑與被粘物材料之間形成配價鍵力結(jié)合、范德華力結(jié)合、機械結(jié)合、共價鍵及離子鍵結(jié)合等。在這些結(jié)合中，配價鍵力結(jié)合和范德華力結(jié)合是普遍存在的。而機械結(jié)合、共價鍵及離子鍵結(jié)合則是出現(xiàn)在個別的粘接情況中。

也有學者認為，膠黏劑與被粘物之間的粘接，是由于機械聯(lián)結(jié)、分子之間相互擴散、物理吸附以及形成化學鍵、配價鍵、雙電層等因素的綜合結(jié)果。也就是說，膠黏劑與被粘物粘接所產(chǎn)生的粘接力是上述各種粘接理論的疊加產(chǎn)物。膠黏劑的不同，被粘物的不同，粘接接頭形式不同，膠接工藝不同，這些因素對于膠接力貢獻的大小就會不同。

在膠接技術(shù)中，高的黏附強度是由界面上的化學鍵和配位鍵提供的。但由化學反應生成的化學鍵，要求較高的條件，在界面發(fā)生化學反應的情況很少，而在界面上生成配位鍵卻是普遍的，界面上的配位鍵能提供較高的、較穩(wěn)定的黏附強度。

各種膠接理論都能解釋一些膠接現(xiàn)象，但都有一定的局限性。具體運用時，要對具體情況作具體分析，并將各種理論相互補充。但是，粘接界面上兩種分子之間的作用力是基本的，這已被許多膠接現(xiàn)象所證實。擴散現(xiàn)象發(fā)生在粘接過程中，特別是對于聚合物之間的粘接更適合，當粘接界面形成后，其膠接接頭強度仍然是分子間力（吸附理論）的作用結(jié)果。同樣，雙電層產(chǎn)生的靜電效應，主要是在膠層被剝離時的瞬間，靜電作用才明顯。因此，它不是形成粘接力的主要因素，在剝離前和剝離過程中，始終有分子間力的作用存在。

隨著國內(nèi)外學者對膠接理論的深入研究，學術(shù)觀點的相互滲透，在某些方面的研究已得到共識，如同種橡膠聚合物的自粘可以用擴散理論解釋；在膠黏劑與被粘物之間的粘接反應確實至少有化學鍵生成；還有，在某些吸附和靜電作用的粘接中，機械結(jié)合能增強這些作用，從而提高了粘接強度；在織物、皮革、紙張等材料的粘接中，機械結(jié)合產(chǎn)生的粘接力起著主導作用等。相信不久的將來，膠接理論會有新的發(fā)展，并日臻成熟、完善。