此前討論的黏附學(xué)科的吸附理論中的許多特征（McBain和Hopkins，1925；Packham，1998，2002，2003），可以追溯到20世紀(jì)20年代的McBain和Hopkins的經(jīng)典著作，其中他們將其稱(chēng)為特定黏附。他們還描述了對(duì)多孔基材（如木材、無(wú)釉瓷、浮石和木炭）的機(jī)械黏附，并指出一個(gè)良好的機(jī)械黏附接頭必須有膠黏劑滲透、嵌入基材，并在原位形成高強(qiáng)度的連續(xù)膠層。從本質(zhì)上講，這就是黏附的機(jī)械理論。

顯然，這種機(jī)械黏附依賴(lài)于膠黏劑和基材之間的接觸，因此本章2.2節(jié)描述的吸附力，將會(huì)作用在兩種材料之間。

盡管機(jī)械黏附理論具有“顯而易見(jiàn)”性質(zhì)，但到了20世紀(jì)50年代，一些研究對(duì)粗糙度不同的相似表面的黏附性進(jìn)行了探索。其結(jié)果表明：粗糙度與實(shí)際黏著力之間成反相關(guān)系。基于這些研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械黏附理論的有效性在很大程度上被研究黏附的科學(xué)家所否定。

毫無(wú)疑問(wèn)，這些結(jié)果證明有一定黏性的膠黏劑很難在粗糙表面形成良好潤(rùn)濕，見(jiàn)圖2-4。因此，許多連接到粗糙表面的接頭在界面處都有空隙，而凹凸不平的地方會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，這會(huì)降低脆性膠黏劑的實(shí)際黏著力。但是，在文獻(xiàn)中也有許多可以在粗糙的表面上獲得良好的潤(rùn)濕性的實(shí)例。事實(shí)上，應(yīng)力集中甚至可以增強(qiáng)基材與韌性膠黏劑之間的實(shí)際黏著力，而其原理是引發(fā)局部塑性形變，從而增加了式（2-3）中破壞過(guò)程中的耗散的能量。

許多成功的粘接預(yù)處理可以產(chǎn)生粗糙、微纖維狀或微孔表面，其中一些粗糙表面見(jiàn)圖2-5。世界上相當(dāng)大比例的民用航空飛機(jī)的可靠與安全依賴(lài)于陽(yáng)極氧化鋁的粘接[見(jiàn)圖2-5（a）]。在電子應(yīng)用中，經(jīng)常把銅的表面預(yù)處理成黑色的微纖維狀氧化層，并用于粘接[見(jiàn)圖2-5（c）]。眾所周知，聚四氟乙烯很難粘接，圖2-5（d）展示了利用氬離子輻射工藝成功實(shí)現(xiàn)粘接預(yù)處理的表面。圖2-5（e）展示了一個(gè)表面粗糙度更大的示例，其中使用鈦鎢酸鹽“鍵”將銅錨定在二氧化硅表面，從而克服了銅與二氧化硅的不良黏附。

圖2-5在膠黏劑粘接之前進(jìn)行預(yù)處理而產(chǎn)生的一些粗糙表面

對(duì)比實(shí)驗(yàn)已科學(xué)地表明，在光滑表面的黏著力較低的情況下，非常粗糙的表面（如圖2-5所示的諸多例子）可以提供較高的黏著力。因此，我們可以合乎邏輯地認(rèn)為，黏著力的機(jī)械理論適用于這些情況。當(dāng)然，這并不一定意味著高黏著力是使用預(yù)處理的唯一技術(shù)原因。如鋁的陽(yáng)極化提高了粘接在潮濕環(huán)境中的耐久性。在航空領(lǐng)域，這比實(shí)際達(dá)到的黏附水平更為重要。

2.3.2粗糙表面的黏附機(jī)理

就觀察到的現(xiàn)象而言，有許多在黏附科學(xué)和技術(shù)方面廣為人知的粗糙表面，其表面粗糙度在黏附中起著至關(guān)重要的作用。換言之，黏附的機(jī)械理論適用于這些情形。相比簡(jiǎn)單地將黏著力歸因于“機(jī)械效應(yīng)”而言，探索粗糙度為何能導(dǎo)致良好黏著力更有科學(xué)意義。

根據(jù)表面能的標(biāo)準(zhǔn)定義，表面能G₀是材料表面超過(guò)材料本體的多余能量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種多余的能量可以被認(rèn)為是破壞構(gòu)成表面的鍵所需的能量。將圖2-6中的材料本體原子B與光滑表面的原子S進(jìn)行比較。在這個(gè)二維示意圖中，材料被表示為一個(gè)緊密排列的球形原子陣列，材料本體B與最近的六個(gè)相鄰原子相連，而原子S僅與四個(gè)相鄰原子相連。以這一論點(diǎn)為根據(jù)，可以看出凸凹不平處的原子A具有更高的表面能。因此，粗糙表面，特別是圖2-5（b）～圖2-5（d）所示的非常粗糙的表面，將比相應(yīng)的光滑表面具有更高的表面能。

圖2-6材料本體、光滑表面和粗糙表面上原子的局部環(huán)境示意

由式（2-3）可知，斷裂能G是指單位面積的斷裂能。顯然，G₀和也是單位面積的能量。這里所說(shuō)的面積是形式上的（理想的）面積，即假設(shè)表面光滑、無(wú)粗糙度的情形下，接觸界面的宏觀面積。對(duì)粗糙表面而言，其“真實(shí)”面積將更大，因此表面能（G₀）將更高。有關(guān)研究證明，隨著表面粗糙度的適度增加，黏著力（實(shí)際黏著力）也成比例地增加（Gent和Lai，1995）。

對(duì)于非常粗糙的微孔和微纖維狀表面，有效面積會(huì)極大程度地上升：G₀確實(shí)可以提高到非常高的值。許多粘接施工中的表面在本質(zhì)上是復(fù)雜而不規(guī)則的，對(duì)于這樣的表面，其“面積”原則上是無(wú)限大的。然而，這種與表面之間的實(shí)際黏著力不會(huì)無(wú)限大，因?yàn)榫哂袕?qiáng)界面區(qū)域的接頭，會(huì)在局部的G₀較小的其他區(qū)域發(fā)生內(nèi)聚破壞。

表2-3中的結(jié)果展示了粗糙表面影響?zhàn)ぶ�力的一些�?shí)例。與相應(yīng)的光滑表面相比，在微纖維狀表面上形成的粘接的斷裂能要高得多。對(duì)于光滑的表面，應(yīng)力集中在界面處，而失效發(fā)生在界面處或靠近界面處，塑性能量耗散很小[見(jiàn)圖2-7（a）]；對(duì)于微纖維狀表面，應(yīng)力集中在纖維狀或枝晶尖端，進(jìn)而導(dǎo)致屈服。屈服會(huì)傳導(dǎo)到聚合物中，從而導(dǎo)致內(nèi)聚破壞和與塑性形變相關(guān)的較高斷裂能[見(jiàn)圖2-7（b）]。值得注意的是，在枝晶狀表面，即使使用較脆的未改性環(huán)氧樹(shù)脂，也會(huì)發(fā)生內(nèi)聚破壞，展現(xiàn)出與枝晶尖端相關(guān)的塑性形變跡象（見(jiàn)圖2-8）。

表2-3分別通過(guò)剝離和SEN¹測(cè)試評(píng)估低密度聚乙烯對(duì)銅和環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)電沉積鋅的黏著力

注：1—SEN為單邊切口測(cè)試；2—斷裂能的數(shù)據(jù)采用95%的置信區(qū)間；3—微纖維狀的銅表面，見(jiàn)圖2-5（c）；4—枝晶狀的鋅表面，見(jiàn)圖2-5（b）；5—采用15%羧基丁腈橡膠（CTBN）增韌劑

來(lái)源于Evans和Packham，1979；Hine等，1984。

圖2-7聚乙烯與銅的黏著力示意

因此，McBain和Hopkins在20世紀(jì)20年代提出的、構(gòu)成吸附理論和力學(xué)理論基礎(chǔ)的基本思想，仍然為合理化解釋黏附科學(xué)中的發(fā)現(xiàn)提供了有用的模型。下面討論萌生于20世紀(jì)中葉的由蘇聯(lián)人提出的靜電和擴(kuò)散理論，以及如今它們是如何被看待的。

圖2-8未改性環(huán)氧樹(shù)脂與具有枝晶狀表面的鋅粘接，其斷裂表面
顯示出未改性環(huán)氧樹(shù)脂在枝晶尖端上方的塑性形變

注：來(lái)源于Hine等，1984。

（本文原著作者David E. Packham 翻譯辛寅昌校譯王新，文章為《膠黏劑新技術(shù)與應(yīng)用手冊(cè)（第2版）》第2章2.3的內(nèi)容。如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除，謝謝。