高分子在體育器材粘接中的應(yīng)用及性能分析

雷笛

摘 要：生產(chǎn)商對(duì)體育器材進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)考慮到體育產(chǎn)品和粘結(jié)劑之間是有一個(gè)空間的變相區(qū)，這個(gè)變相區(qū)被業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)稱為界像。這個(gè)實(shí)際的原理是在粘接的接口處會(huì)有一個(gè)名為應(yīng)力的力通過界相使得應(yīng)力從2個(gè)粘接體相互傳導(dǎo)出，但是這個(gè)名為界相的是會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的變化而導(dǎo)致粘連的效果有所降低，所以界相會(huì)影響粘接接頭之間的性能，粘接之間的性能一般有耐堿性、強(qiáng)度和剛度等等一系列的性能參數(shù)。為了能更好的把握好粘接接頭的整體性，我們所做的第一步那便是要弄清楚界相的性能、形成的流程和空間的大小。為此，我們對(duì)于這方面的研究是金屬的粘接界面和高分子粘結(jié)劑的具體形成流程和研究過程。常常高分子的粘結(jié)劑的制造材料有高密度的聚乙烯和壓敏膠，將前者作為底膜而后者作為粘結(jié)的緩沖層，最后在形成的產(chǎn)品后面加上一層的保護(hù)涂層。在制造的時(shí)候我們常常都是使用的預(yù)鋪反粘施工方法，使得固化之后可以將粘接的兩個(gè)物體連接更為緊密，使得防水層和體育器材的主體結(jié)構(gòu)能夠長久性的進(jìn)行結(jié)合，使得制造的材料在進(jìn)行體育器材的粘接的時(shí)候不會(huì)有竄水的現(xiàn)象發(fā)生，這樣就可以保證所制造的材料有優(yōu)良的防水性能。

關(guān)鍵詞：高分子;體育器材;粘接;性能分析

中圖分類號(hào)：TQ314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0035-04

Abstract：When manufacturers produce sports equipment， they will consider that there is a space disguised area between sports products and binders， which is called "boundary image" by the insiders. The actual principle is that there will be a force called stress passing through the boundary phase at the bonding interface， which will cause the stress to be transmitted from two adhesives to each other. But this called boundary phase will reduce the adhesion effect due to the change of the environment， so the boundary phase will affect the performance of the bonding joints， and the performance between the bonding generally has a series of performance parameters such as alkaline resistance， strength and stiffness， etc . In order to better grasp the integrity of the bonding joint， the first step we have to do is to find out the performance of the boundary phase， the formation process and the size of the space. Therefore， our research in this area is the specific formation process and research process of metal bonding interface and polymer adhesive. High density polyethylene （HDPE） and pressure-sensitive adhesive （PSA） are often used to make polymer adhesives. The former is used as the bottom film and the latter as the bonding buffer layer. Finally， a protective coating is added after the formed products. In the manufacturing process， we often use the pre laying and anti sticking construction method to make the two objects to be bonded more closely after curing， so that the waterproof layer and the main structure of sports equipment can be combined for a long time. When the manufactured material is bonded to sports equipment， there will be no water leakage， so that the manufactured materials can be guaranteed to have excellent waterproof performance.

Key words：polymer; sports equipment; bonding; performance analysis

0? ? ?引言

傳統(tǒng)的粘接就是把兩種不同的材質(zhì)使用粘結(jié)劑連接在一起，這樣來形成我們生活中的產(chǎn)品，但是由于人為和環(huán)境的因素，這就會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)生的產(chǎn)品會(huì)有使用周期的上的縮短，因此為了延長使用周期，科研人員就對(duì)此做了很多的研究，常常優(yōu)良的粘結(jié)劑主要會(huì)以粘接的接頭的耐久性和有效的粘接這兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

1 高分子在體育器材粘接中的應(yīng)用

在這幾年里，科研人員對(duì)于粘接的基本原理都有了更為深層次的研究，這些表面的處理技術(shù)也使得我國粘接技術(shù)又一次的走到了世界的前沿。

在書本上粘接的擴(kuò)散原理是指的連接的基體和被粘接體之間會(huì)有一個(gè)名為空間的轉(zhuǎn)變相區(qū)，這個(gè)三維的轉(zhuǎn)變相區(qū)又被叫做界相[1]，其英文叫做inter-phase，這個(gè)名稱最早是出現(xiàn)在1972年的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候SharpelJ 就提出了界相這一概念，他是通過講述在粘接的接頭中被粘接體和粘結(jié)劑中樹脂基體[2]和增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維[3]展現(xiàn)出的相近基體之間的特殊地方的時(shí)候，就提出了這一概念。SharpelJ 提出了這一概念進(jìn)行了更為精準(zhǔn)的描述，在美國的華盛頓上對(duì)于界相的描述是：依據(jù)被粘接體的材料特性作為發(fā)生的一個(gè)起點(diǎn)，再順著界相到達(dá)粘結(jié)劑材料到達(dá)的穩(wěn)定區(qū)域的每一個(gè)空間點(diǎn)。在其他的研究工作中，對(duì)此也明確的指出了相近的基體材質(zhì)和界相的機(jī)械性質(zhì)之間就存在明確的不同。

在熱力學(xué)上的相是說的一個(gè)實(shí)體他的特有的化學(xué)組成、物質(zhì)的化學(xué)空間結(jié)構(gòu)和在物理上使用一系列的機(jī)械方法來對(duì)此進(jìn)行分離，并且在這個(gè)區(qū)域里會(huì)有性能梯度[4]上的變化。

2 高分子在金屬體育器材粘接中的性能分析

2.1 膠粘劑組分的選擇性吸附

膠粘劑在制造的時(shí)候所使用的材料是高密度的聚乙烯[5]，如圖1是制造器材常用的粘結(jié)膠，選擇它的原因是，這種材料所制造的產(chǎn)品可以高延伸、耐磕碰、耐腐蝕性等優(yōu)良的特性。特別是在一些較為潮濕的環(huán)境中，更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)性，它是可以有效的防止水的浸入，這樣就可以防止因?yàn)榧?xì)小的裂紋水的浸入破壞體育器材的主體結(jié)構(gòu)。在書本中，粘接的吸附原理中就指出了物理的吸附在所有接頭中都是存在的，然而粘接體系中所形成的成分都是不同的，特別是金屬的吸速率都是不同的，這就因?yàn)檫@一差異性使得界相的形成成分都是不同的。

為了更為深的進(jìn)行研究，我們結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究， Fondeur和 Koenig先是用顯微的紅外光譜儀[6]來研究材質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，其中紅外光譜儀采用的是傅立葉變換[7]，材料常常是選擇雙氰胺[8]固化的環(huán)氧樹脂連接的金屬的接頭進(jìn)行研究。在研究的過程中我們采用的對(duì)比性的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是對(duì)鋁的皮面進(jìn)行物理處理，另一種則是通過通電的方式進(jìn)行陽極化的處理，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)在靠近的界面的接口處，如果在鋁的表面含有較多的固化劑和鹽那便是沒有通過化學(xué)處理的，通過以上的研究我們便可以得出，在膠粘劑體系中不同的組成成分主要是會(huì)受到金屬表面性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)上的影響，從而導(dǎo)致選擇性的吸附，從而使的靠近界面處的組成成分不同就必須控制膠粘劑合適的配比率，這樣就可以使得被粘接的金屬和膠粘劑之間可以有界相區(qū)的存在。

2.2 膠粘劑對(duì)被粘接金屬表面的降解效應(yīng)

粘結(jié)劑的形成的時(shí)候會(huì)受到金屬表面離子的影響，使得近界處的區(qū)域的材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有所變化，之所以導(dǎo)致這一現(xiàn)象是被粘接的金屬表面的離子在粘結(jié)劑中溶解并且擴(kuò)散在粘結(jié)劑中。

為了研究不同類型氧膠粘劑對(duì)于不同金屬的粘接性的變化情況，Roche帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就對(duì)二胺固化的環(huán)氧膠粘劑粘接的性能進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。其中實(shí)驗(yàn)就指出當(dāng)將金屬進(jìn)行了鍍金，界相區(qū)的膠粘劑的性能就會(huì)有所改變。在實(shí)驗(yàn)的過程中我們發(fā)現(xiàn)鋁和鈦離子擴(kuò)散在環(huán)氧膠粘劑中和固化劑二胺偶合的成有機(jī)的金屬物。像這些偶合物一旦濃度達(dá)到一定的飽和度就會(huì)有晶體的析出。即使會(huì)有晶體的析出，但是在固化的時(shí)候結(jié)晶出的這些物質(zhì)是不能被全部溶解的，為此我們可以通過調(diào)節(jié)合適的膠粘體系的量的配比率，除此之外，較為重要的是金屬表面和二胺固化劑之間是可以形成相應(yīng)的化學(xué)鍵的;影響界面附近材料的性能的還有一個(gè)便是二胺金屬偶合物會(huì)產(chǎn)生有序的排列，對(duì)于不同類型的粘結(jié)劑基體也會(huì)有對(duì)應(yīng)合適的二胺金屬偶合物進(jìn)行粘接。Fondeur和Koenig通過以上的現(xiàn)象可以輕而易舉的得出粘接在金屬表面的離子是可以溶解在膠粘劑里的。

2.3? ?被粘接金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)

金屬的表面就存在一些影響其性質(zhì)的官能團(tuán)，像什么金屬的酸堿性，關(guān)于金屬表面具有酸堿，就說明了金屬表面所具有的官能團(tuán)有氫氧根離子和氧離子。鋁在高中的化學(xué)中我們就知道它是一種兩性金屬，是可以和酸堿同時(shí)反應(yīng)的，其實(shí)鋁離子是被包裹在鋁的內(nèi)部的，外表形成了一種氧化物，保護(hù)了金屬被氧化，但是形成的氧化保護(hù)層也是稀疏的，這樣鋁離子就可以通過這些空隙進(jìn)行反應(yīng)，這些官能團(tuán)會(huì)對(duì)粘結(jié)劑中組成成分進(jìn)行選擇性的吸附，并能和其中的組成成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

隨著現(xiàn)在科技水平的迅速發(fā)展，人們常常都是采用科技手段獲取物質(zhì)的化學(xué)和物理空間結(jié)構(gòu)，有時(shí)也是采用多種科技手段聯(lián)合處理物質(zhì)結(jié)構(gòu)，Dillingham和·Boerio15j他們就是使用的兩種科技手段來進(jìn)行研究的，界相區(qū)則是氧化鋁表面的官能團(tuán)對(duì)環(huán)氧膠粘劑的催化所產(chǎn)生的。Gaillard等人也是使用以上不同材質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)的研究，他們選擇的則是通過不同處理的鋼表面上進(jìn)行了環(huán)氧樹脂的固化速度進(jìn)行進(jìn)一步的研究，其中發(fā)現(xiàn)在鋼的表面進(jìn)行了鍍鋅，表面的環(huán)氧樹脂的固化速度要在使用物理方式打磨的鋼表面固化的反應(yīng)的要?jiǎng)×业亩?，從而我們可以看出鋅離子的催化效果是相當(dāng)?shù)暮?，使得環(huán)氧樹脂能加速固化的速度。Koll ek_l對(duì)于鋁表面上的環(huán)氧也是進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并且可以確認(rèn)鋁表面的極性官能團(tuán)和環(huán)氧樹脂與固化劑覆著在鋁的表面進(jìn)而發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。Carter研究表明發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂是進(jìn)行了雙氰胺固化的在對(duì)鍍鋅鋼接頭進(jìn)行粘接，這樣才會(huì)使得接頭的耐拉伸的性能要好的多，當(dāng)然這是相對(duì)于低碳鋼的接頭。除此之外，我們還可以通過獲取反射紅外光譜，從光譜的分析中我們很容易的發(fā)現(xiàn)氧化鋅和雙氰胺并沒有任何反應(yīng)，然而鋅和雙氰胺之間氧化還原反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)則是金屬鋅氧化，而雙氰胺被還原。

2.4? ?粘接接頭中界相區(qū)的大小

從圖2中將A類定50nm，B類定為0.5pm。栗付平等科研團(tuán)隊(duì)就使用了另一種研究方法測(cè)量出界相，他們所采用的儀器便是AFM（原子力顯微鏡）和納米壓痕計(jì)對(duì)鋁金屬和環(huán)氧樹脂進(jìn)行了界相。通過儀器獲取相關(guān)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中包含的有深度、壓痕位置和壓痕載荷這三者的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度的變化會(huì)與粘接膠的厚度有聯(lián)系，產(chǎn)生這種效果的原因主要是粘接膠和金屬的氧化層產(chǎn)生了反應(yīng)并形成了相應(yīng)的界面，在界面里粘結(jié)劑可以達(dá)到大概30℃，主要的原因那便是在接頭處有界面的生成，并且這種界面可以在金屬700m的地方存在，圖3就是不同厚度時(shí)溫度的變化曲線。

高分子粘接膠粘接不同平整度的體育器的粘接效果是不一樣的，當(dāng)材料的平整度較高的時(shí)候，粘接的效果就會(huì)相對(duì)于粗糙平面好點(diǎn)，然而并不是平整度越好就會(huì)導(dǎo)致最后的粘接度越好，這主要是涉及到體育器材粘接層是具有一定的蠕動(dòng)性，這就需要器材材料是具有一定的粗糙度，這樣就可以提高粘接度，圖4和圖5是在不同表面的蠕變濕潤基材的過程。

無論多好的粘接膠在受到巨大外力的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生粘接層的的剝離，當(dāng)外力是快速的時(shí)候，發(fā)生的界面是膠接界面，而當(dāng)時(shí)較為緩慢的外力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致膠層內(nèi)聚發(fā)生破壞，圖6就是在緩慢外力下導(dǎo)致的膠層內(nèi)聚的破壞實(shí)列。

3? ? ?結(jié)語

影響粘接接頭的性能的因素有很多，其中占據(jù)主體地位的是粘接膠和被粘接金屬中存在的界相區(qū)的性能，對(duì)此，科研人員就對(duì)界相測(cè)量的方法做了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，界相所涉及的面就是相當(dāng)?shù)膹V，這就使得界相這個(gè)東西在已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的一個(gè)科研熱點(diǎn)，至今為止，界相的區(qū)域也是相當(dāng)?shù)男。@就為研究人員造成了一個(gè)最大的障礙。以上所講述的高分子自粘膠膜防水卷材是可以更為有效的防止水竄流水到體育器材中，從而破壞了體育器材的主體結(jié)構(gòu)。

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