文章對(duì)聚合物復(fù)合材料界面粘合理論的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，認(rèn)為各種理論均有一定的合理性及局限性，而在實(shí)際的復(fù)合材料中，其界面情況要比理論復(fù)雜得多，只有靈活運(yùn)用各種粘接理論，才可加深對(duì)界面的理解．同時(shí)，文章對(duì)粘合理論的研究前景和發(fā)展方向進(jìn)行了展望．

 

       聚合物復(fù)合材料如橡膠復(fù)合材料的性能除了與橡膠基體和增強(qiáng)材料f纖維、粉體等1性質(zhì)密切相關(guān)外，其界面性質(zhì)也有至關(guān)重要的影響．大量研究表明，由多種組分組成的復(fù)合材料的性能，并不是各單一組分性能的簡(jiǎn)單加和，而是一種非線性的關(guān)系，良好的復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生1+1>2的協(xié)同效應(yīng)，具有各單一組分所不具備的特性．在復(fù)合材料整體中。各組分既起著各自的獨(dú)立作用。但又是相互依存的。這種相互依存關(guān)系是由組成復(fù)合材料的各組分之間的界面體現(xiàn)的．例如，界面上的化學(xué)效應(yīng)引起各組分間的化學(xué)反應(yīng)。形成新的界面層．因此，聚合物復(fù)合材料界面性質(zhì)的研究在高分子及材料科學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視．
 

       橡膠制品大多是將橡膠與金屬、陶瓷、纖維等通過(guò)粘合而制成的復(fù)合材料，如輪胎、膠帶、防震避震橡膠以及其他諸多工業(yè)橡膠制品皆如此．因此，橡膠與這些骨架材料的粘合技術(shù)及理論可以說(shuō)是橡膠工業(yè)中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)．
 

       粘合是兩個(gè)不同材料間通過(guò)界面緊密地結(jié)合在一起。并可通過(guò)界面?zhèn)鬟f機(jī)械力或功的狀態(tài)．把兩個(gè)界面結(jié)合在一起的界面力可以是范德華力、化學(xué)鍵、機(jī)械互鎖、靜電吸引或以上幾種力協(xié)同作用的結(jié)果．一般認(rèn)為，材料間的界面是一個(gè)至少有幾個(gè)分子層厚的多屢結(jié)構(gòu)。該界面層由材料的表面層以及材料相互作用而深入到內(nèi)部一定厚度的區(qū)域組成（圖1）．粘合體系的機(jī)械強(qiáng)度不僅取決于界面力，還取決于界面區(qū)以及材料本體相的機(jī)械強(qiáng)度
 

       橡膠基體與增強(qiáng)材料在結(jié)構(gòu)上有很大差異。因此其在化學(xué)性質(zhì)和物理性能上不甚相容，其界面并不是簡(jiǎn)單的幾何面。不存在截然的分界面，而是包含著兩相逐步過(guò)渡區(qū)域的三維界面．界面區(qū)的化學(xué)組成、力學(xué)性能、分子排列、熱性能都呈連續(xù)性的梯度變化．界面相雖然很薄。卻有著極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．

 

    在兩相復(fù)合過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力、界面化學(xué)效應(yīng)和界面結(jié)晶效應(yīng)等．這些效應(yīng)引起的界面微觀結(jié)構(gòu)和性能特性的變化。對(duì)復(fù)合材料的宏觀性能產(chǎn)生直接的影響．由于聚合物復(fù)合材料界面的復(fù)雜性，因此常把界面區(qū)域當(dāng)作一個(gè)相或?qū)觼?lái)處理，稱(chēng)為界面相（Interphase）或界面層f Interlayer)，有關(guān)學(xué)者對(duì)界面粘合機(jī)理進(jìn)行了很多研究，各種理論均有其特點(diǎn)與局限性．目前可歸納為以下幾種．

 

1  化學(xué)鍵理論

       化學(xué)鍵理論是目前應(yīng)用最廣的一種理論。也是最古老的界面形成理論．此理論認(rèn)為兩物體接觸時(shí)，一種物質(zhì)表面上的官能團(tuán)與另一物質(zhì)表面上的官能團(tuán)起化學(xué)反應(yīng)，在兩者之間生成化學(xué)鍵結(jié)合，形成界面，從而產(chǎn)生良好的粘結(jié)強(qiáng)度．比如。硫化橡膠與銅之間的粘結(jié)、聚苯乙烯與銅之間的粘結(jié)等，前者經(jīng)電子衍射證明在界面形成了硫化銅，后者的聚苯乙烯片基經(jīng)氧氣等離子體處理之后，表面生成的- COOH、- OH等與銅反應(yīng)，經(jīng)X射線光電子能譜(XPS)分析證實(shí)聚苯乙烯與銅之間的粘結(jié)界面形成了配價(jià)鍵結(jié)合的銅一氧一聚合物的絡(luò)合物：難粘的聚烯烴材料，經(jīng)氧氣等離子體處理后。表面的- COOH，- C=0，- OH等含氧基團(tuán)可顯著提高與環(huán)氧樹(shù)脂的反應(yīng)能力。使界面形成化學(xué)鍵，大大地改善了粘結(jié)強(qiáng)度．同時(shí)合理調(diào)整材料表面的酸堿度，使表面發(fā)生酸堿反應(yīng)形成化學(xué)鍵，亦可提高粘合強(qiáng)度．界面有了化學(xué)鍵的形成，對(duì)粘結(jié)界面的抗水性和抗介質(zhì)腐蝕的能力有顯著提高，同時(shí)界面化學(xué)鍵的形成對(duì)抵抗應(yīng)力的破壞、防止裂紋擴(kuò)展的能力也有積極的作用．

 

2浸潤(rùn)理論
 

       浸潤(rùn)理認(rèn)為。若兩相物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)，則表面能較高的一相物體表面的物理吸附將大大超過(guò)另一相物體的內(nèi)聚能強(qiáng)度，從而使兩相物體具有良好的粘合強(qiáng)度，這種理論認(rèn)為兩相物體間的結(jié)合模式屬于機(jī)械互鎖和浸潤(rùn)吸附．其中機(jī)械粘合是一種機(jī)械互鎖現(xiàn)象，即一相物質(zhì)在固化過(guò)程中進(jìn)入另一相物體的空隙和凹凸不平之中形成機(jī)械錨固。而物理吸附主要為范德華力的作用．
 

3  變形層和抑制層理論
 

       在復(fù)合材料固化加工過(guò)程中，因?yàn)榛w（尤指聚合物基體）與纖維的熱膨脹系數(shù)相差較大，纖維與基體界面上會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種附加應(yīng)力會(huì)使界面破壞而導(dǎo)致復(fù)合材料的性能下降．此外。在外載荷作用下，應(yīng)力在復(fù)合材料中的分布也是不均勻的，結(jié)果在界面上的某些部位發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使纖維與基體間的作用遭到破壞。從而使復(fù)合材料性能下降，當(dāng)增強(qiáng)材料經(jīng)處理劑處理后，能減緩以上幾種應(yīng)力的作用．據(jù)此，Kirloch和Kodokion對(duì)界面的形成及其作用機(jī)理提出了兩種理論：一種認(rèn)為，處理劑在界面上形成了一層塑性層，它能松弛界面的應(yīng)力、減少界面應(yīng)力的作用，這種理論稱(chēng)為“變形層理論”：另一種則認(rèn)為，處理劑是界面區(qū)的組成部分。這部分是介于高棋量增強(qiáng)材料和低模量基體之間的中等模量物質(zhì)。能起到均勻傳遞應(yīng)力、減少界面應(yīng)力的作用，從而能增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，這種理論則稱(chēng)為“抑制層理論”．

 

4  吸附理論
 

       吸附理論認(rèn)為，粘合力主要是由膠粘體系的分子或原子在界面層相互吸附而產(chǎn)生的．膠粘劑分子與被粘物表面分子的相互作用過(guò)程有兩個(gè)階段．第一階段是液體膠粘劑分子借助于熱布朗運(yùn)動(dòng)向被粘物表面擴(kuò)散，使兩者所有的極性基團(tuán)或鏈節(jié)相互靠近，在此過(guò)程中，升溫、施加接觸壓力、降低膠粘劑粘度等因素都有利于熱布朗運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，第二階段是吸附力的產(chǎn)生，當(dāng)膠粘劑分子與被粘物分子間的距離達(dá)到1~0.5 nm時(shí)，便產(chǎn)生相互吸引作用，并使分子間的距離進(jìn)一步縮短到能夠處于最穩(wěn)定的狀態(tài)．
 

       吸附理論正確地把粘合現(xiàn)象與分子間力的作用聯(lián)系起來(lái)，粘合力的大小與膠粘劑極性有關(guān)，但最主要的是取決于膠粘體系分子在接觸區(qū)的稠密程度．
 

5  擴(kuò)散理論
 

       兩種聚合物在具有相容性的前提下，當(dāng)它們相互緊密接觸時(shí)，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)或鏈段的蠕動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相互擴(kuò)散現(xiàn)象，這種擴(kuò)散作用是聚合物一膠粘劑一聚合物表面的大分子相互穿越界面進(jìn)行的，擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致界面的消失和過(guò)渡區(qū)的產(chǎn)生，粘合體系借助擴(kuò)散作用形成了牢固的粘合結(jié)構(gòu)．
 

       在粘合體系中，適當(dāng)降低膠粘劑的相對(duì)分子量有助于提高擴(kuò)散系數(shù)，改善粘合性能．如天然橡膠通過(guò)適當(dāng)?shù)乃軣捊到猓娠@著提高粘合性能．聚合物分子鏈排列堆集的緊密程度不同，其擴(kuò)散行為顯著不同．大分子結(jié)構(gòu)中有空穴或分子間有空洞結(jié)構(gòu)者，其擴(kuò)散作用就比較強(qiáng)．?dāng)U散作用還受到兩聚合物的接觸時(shí)間、粘合溫度等因素的影響，一般是接觸溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，其擴(kuò)散作用也越強(qiáng)，由擴(kuò)散作用產(chǎn)生的粘合力就越高．

 

       Borozncui提出當(dāng)兩種聚合物在高于其玻璃化溫度(Tg)的條件下緊密接觸時(shí)，長(zhǎng)鏈大分子將互相擴(kuò)散，使粘合界面消失，形成過(guò)渡區(qū)，從而產(chǎn)生牢固的結(jié)合．如聚碳酸酯的粘合，用適當(dāng)?shù)娜軇⑵浔砻嫣幚砗?，在壓力下可產(chǎn)生了很好的粘接，原先的界面不易看出，但存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)．在過(guò)渡區(qū)，聚合物的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化。顯示出發(fā)生了相互擴(kuò)散．值得注意的是，只有當(dāng)溶劑使大分子鏈松動(dòng)，并使有些大分子鏈遷移時(shí)，擴(kuò)散才有可能．因此對(duì)于具有相似的溶度參數(shù)、相容性好的兩聚合物在高于其Tg溫度條件下，相互擴(kuò)散是粘接的主導(dǎo)機(jī)理．Kaeble提出在界面上大分子鏈段互相擴(kuò)散必須滿足熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)條件。其中熱力學(xué)條件是膠粘劑與被粘物之間的相容性：動(dòng)力學(xué)條件是高分子鏈段運(yùn)動(dòng)有顯著的速度．
 

       Vasenin從最初的混合理論和液體相互擴(kuò)散理論出發(fā)論述了一系列理論的相互關(guān)系．對(duì)于聚合物的自粘，他認(rèn)為剝離所需要的力與剝離速度成正比，與接觸時(shí)間的1/4次方成正比，并與分子量的2/3次方成反比其中剝離強(qiáng)度隨時(shí)間的變化主要受擴(kuò)散因素的影響．

 

6結(jié)語(yǔ)
 

      綜上所述。利用各粘合理論解釋聚合物粘合機(jī)理均有一定的合理性與局限性，而在實(shí)際復(fù)合材料中?；w與增強(qiáng)材料間界面的形成與破壞是一個(gè)極其復(fù)雜的物理及化學(xué)變化過(guò)程，與此有關(guān)的物理及化學(xué)因素都會(huì)影響到界面的形成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、作用以及界面對(duì)復(fù)合材料性能的影響等。因而實(shí)際的界面要比理論復(fù)雜得多．由于不同學(xué)科背景的研究者所感興趣或切入點(diǎn)、側(cè)重點(diǎn)不同。致使界面研究帶有濃厚的學(xué)科特點(diǎn)，至今尚缺統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。同時(shí)也缺乏對(duì)界面的定量分析．因此目前尚需在三個(gè)方面有所突破。一是改善測(cè)試與表征手段，使所得數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映界面的特征，建立材料表面與界面的數(shù)學(xué)模型；二是建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系模型，使理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性；三是進(jìn)一步改進(jìn)材料制備工藝，以制備性能優(yōu)異的復(fù)合材料．
 

       總之，聚合物復(fù)合材料界面粘合理論研究是一個(gè)極其錯(cuò)綜復(fù)雜、且涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，只有靈活地運(yùn)用各種粘接理論，才可加深對(duì)粘接現(xiàn)象的了解，進(jìn)而做到對(duì)具體的粘結(jié)現(xiàn)象由定性描述到定量分析，從而進(jìn)一步豐富和發(fā)展復(fù)合材料界面粘合理論，使其更加系統(tǒng)、完善．