此前討論的黏附學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20年代的McBain和Hopkins的經(jīng)典著作，其中他們將其稱為特定黏附。他們還描述了對多孔基材（如木材、無釉瓷、浮石和木炭）的機械黏附，并指出一個良好的機械黏附接頭必須有膠黏劑滲透、嵌入基材，并在原位形成高強度的連續(xù)膠層。從本質(zhì)上講，這就是黏附的機械理論。

顯然，這種機械黏附依賴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，將會作用在兩種材料之間。

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

毫無疑問，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濕，見圖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成為應力集中點，這會降低脆性膠黏劑的實際黏著力。但是，在文獻中也有許多可以在粗糙的表面上獲得良好的潤濕性的實例。事實上，應力集中甚至可以增強基材與韌性膠黏劑之間的實際黏著力，而其原理是引發(fā)局部塑性形變，從而增加了式（2-3）中破壞過程中的耗散的能量。

許多成功的粘接預處理可以產(chǎn)生粗糙、微纖維狀或微孔表面，其中一些粗糙表面見圖2-5。世界上相當大比例的民用航空飛機的可靠與安全依賴于陽極氧化鋁的粘接[見圖2-5（a）]。在電子應用中，經(jīng)常把銅的表面預處理成黑色的微纖維狀氧化層，并用于粘接[見圖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現(xiàn)粘接預處理的表面。圖2-5（e）展示了一個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行預處理而產(chǎn)生的一些粗糙表面

對比實驗已科學地表明，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為，黏著力的機械理論適用于這些情況。當然，這并不一定意味著高黏著力是使用預處理的唯一技術(shù)原因。如鋁的陽極化提高了粘接在潮濕環(huán)境中的耐久性。在航空領(lǐng)域，這比實際達到的黏附水平更為重要。

2.3.2粗糙表面的黏附機理

就觀察到的現(xiàn)象而言，有許多在黏附科學和技術(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，黏附的機械理論適用于這些情形。相比簡單地將黏著力歸因于“機械效應”而言，探索粗糙度為何能導致良好黏著力更有科學意義。

根據(jù)表面能的標準定義，表面能G₀是材料表面超過材料本體的多余能量。簡單來說，這種多余的能量可以被認為是破壞構(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進行比較。在這個二維示意圖中，材料被表示為一個緊密排列的球形原子陣列，材料本體B與最近的六個相鄰原子相連，而原子S僅與四個相鄰原子相連。以這一論點為根據(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。這里所說的面積是形式上的（理想的）面積，即假設(shè)表面光滑、無粗糙度的情形下，接觸界面的宏觀面積。對粗糙表面而言，其“真實”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（實際黏著力）也成比例地增加（Gent和Lai，1995）。

對于非常粗糙的微孔和微纖維狀表面，有效面積會極大程度地上升：G₀確實可以提高到非常高的值。許多粘接施工中的表面在本質(zhì)上是復雜而不規(guī)則的，對于這樣的表面，其“面積”原則上是無限大的。然而，這種與表面之間的實際黏著力不會無限大，因為具有強界面區(qū)域的接頭，會在局部的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�力的一些實例。與相應的光滑表面相比，在微纖維狀表面上形成的粘接的斷裂能要高得多。對于光滑的表面，應力集中在界面處，而失效發(fā)生在界面處或靠近界面處，塑性能量耗散很小[見圖2-7（a）]；對于微纖維狀表面，應力集中在纖維狀或枝晶尖端，進而導致屈服。屈服會傳導到聚合物中，從而導致內(nèi)聚破壞和與塑性形變相關(guān)的較高斷裂能[見圖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)氧樹脂，也會發(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（見圖2-8）。

表2-3分別通過剝離和SEN¹測試評估低密度聚乙烯對銅和環(huán)氧樹脂對電沉積鋅的黏著力

注：1—SEN為單邊切口測試；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，見圖2-5（c）；4—枝晶狀的鋅表面，見圖2-5（b）；5—采用15%羧基丁腈橡膠（CTBN）增韌劑

來源于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20年代提出的、構(gòu)成吸附理論和力學理論基礎(chǔ)的基本思想，仍然為合理化解釋黏附科學中的發(fā)現(xiàn)提供了有用的模型。下面討論萌生于20世紀中葉的由蘇聯(lián)人提出的靜電和擴散理論，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)氧樹脂在枝晶尖端上方的塑性形變

注：來源于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)與應用手冊（第2版）》第2章2.3的內(nèi)容。如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除，謝謝。