第四章 固-固界面和粘附.ppt

第四章 固-固界面与粘附 第三节 固-固界面能 第四节 固-固界面粘附的本质 第五节 粘附理论 第七节 粘附强度的影响因素及固体材料表面的处理 第六节 固体材料表面处理 结合力大小的计算： 以NaCl晶体为例：NaCl为立方点阵 ① 一个中心离子有6个相反电荷的相邻配位离子，配位数为6； ② 与中心离子相距 处，有12个相同电荷的离子； ③与中心离子相距 处，有8个反电荷的离子； 则一个离子和它周围离子间的静电作用为： 静电排斥能为： n: Born指数，对NaCl晶格，n=6。 总势能为： 在平衡状态：总势能有最小值，U对R微分： 所以： 上式对R微分，可得到离子间作用力F与离子间距离R的关系： 当F达到极大值时，R=R1，有： 所以： 由于： 所以： 又： 所以： 由此式可以计算有关离子晶体（1-1型）点阵的势能和最大作用力。 对游离的气体离子型分子，由于只有两个相邻的异电性离子，所以 常数A=1，势能为： 则： 对NaCl晶格： 2、共价键 若胶黏剂与粘附体材料间形成共价键，则有利于提高粘结强度 和耐久性。 如纤维上的-OH与胶黏剂中的环氧基和异氰酸酯发生 如下反应： 若胶黏剂原子和粘附体原子以C-C单键粘接，C-C键能为2.45×105J/mol, 破坏一个C-C键所需的力为： 一平方米大概排有4×1014个C-C键，则拉断一平方米内所有的键能 所需的力为： 此力为粘接强度的数百倍，这是由于一平方米不可能排有4×1014个 C-C键所致。 3、分子间相互作用的极性取向力 若胶黏剂与粘附体含有极性基团，则粘附力主要为范德华力，其中包括 分子偶极矩引起的取向力。 键的极性大小，用偶极矩来表示，任一化合物分子的偶极矩是其组成中 所有键的偶极矩矢量和。 如：HCl 又如：二基邻位取代苯，分子偶极矩和键偶极矩的关系为： 两个极性分子间相互作用的势能为： 当分子头尾相接时， p ---所带电荷占电子电荷量的百分率 当 时 对两个偶极矩不同的极性分子，取向力相互作用势能为 由于分子热运动会扰乱分子的取向，所以取向力相互作用的势能 与温度有关。 设一分子在电场E或处于具有偶极矩分子极性中心所发出的电场 作用下，分子产生诱导偶极矩 。 分子在电场中的极化能为： 分子的极化率，它随电场取向力同一方向，所以： 由于电场引入的一瞬间是从0变为E,积分得： 在热运动扰乱取向和取向极化情况下，极化率即为取向极化率： 所以： 上式描述了两个相同偶极矩分子间相互作用的势能与温度的关系 若两个不同偶极矩分子作用，其势能为： 结论： （1）分子相互作用的取向力越大，粘附强度也越大； （2）分子被诱导所产生的取向极化率越大，诱导作用在 分子间相互作用势能中贡献也越大； （3）温度升高，粘附强度降低。 4、极性分子与非极性分子间的相互作用 极性分子与非极性分子作用，没有取向力作用势能，但可以存在 诱导作用势能。 非极性分子诱导偶极矩与场强E成正比，即： 诱导极化率由分子变形性质决定，它与温度无关，诱导极化率与分子 折射率n，介电常数ε在电场交变周期小于偶极矩松弛时间之际，有 以下关系： 极性分子与非极性分子间偶极矩与诱导偶极相互作用势能可用类似 于取向偶极公式表示： 若考虑两个分子相互诱导，则： 相互诱导势能随分子偶极矩和诱导极化率增大而增大。 5、非极性分子之间作用力 非极性分子虽然没有永久偶极，但分子间也有作用力，London采用量子 力学近似计算证明了力的存在。 两个相互作用分子中的电子视为围绕其平衡位置作谐振动的粒子，谐 振子中，电子的振动可以产生瞬时偶极矩，谐振子之间相互诱导，从而 引起相邻谐振子的电子振动。且保持一定的位相关系，谐振子之间可以 存在相互吸引作用，这种作用力称为色散力，也常称为London力。 由量子力学理论推导所得的两个极化率不同的非极性分子相互作用 的势能为： 若相互作用的是同种分子，则： 相互作用的分子的电离能； 极化率 即：分子色散力相互作用的势能随分子的电离能和极化率增大而增大。 例：-CH2的分子量为14，密度d=0.96g/cm3，摩尔体积Vm=14.6cm3, N=1.51,R=4×10-8cm，电离能I=12.9电子伏特，则 三种作用力即色散力、取向力和诱导力对相互作用的势能总贡献为： 同种极性分子间相互作用的总势能为： 不同种极性分子间相互作用的总势能为： 大多数胶黏剂与粘附体之间的粘接，主要依靠分子间的作用力， 但有时存在配价建或氢键，如： 分子间相互吸引势能其数量级约为0.1~1千焦/mol，比化学键能 小得多，粘接强度无法与生成化学键相比，但可以通过粘接