与胶粘剂粘接有关的力学

01. 化学键力

什么是化学键：

纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间强烈的相互作用力的统称。使离子相结合或原子相结合的作用力通称为化学键。

化学键有三种主要类型：离子键、共价键和金属键。其中，氢键不是化学键，而是分子间力的一种。

离子键由阴、阳离子之间通过静电作用所形成；共价键涉及到电子的共享，而金属键则涉及到金属原子间的特殊相互作用。这些化学键的类型决定了物质的物理性质，如熔点、沸点等。

以我们熟悉的氯化钠为例，钠为带正电荷的阳离子，氯为带负电荷的阴离子，两者由于静电作用，从而结合形成氯化钠，而这个静电作用就是离子键化学键力。

再比如，氟原子间难以发生电子的得失，从而通过共用电子对所形成的相互作用，就叫做共价键。组成共价键的元素大多都是非金属元素，同种原子形成的共价键，被称为非极性共价键；不同原子间形成的共价键，由于共用电子对偏向一方，因此这样的共价键称为极性共价键。

另外，化学键力属于分子内部的力，可与分子之间的作用力（最初被称为范德华力）进行区分。

离子键的键能的大小与离子所带电荷的乘积成正比与离子间的距离成反比。

E=(k*Q1*Q2)/d

其中k为静电力常量，等于8.987551×109N·m2/C2；

Q1，Q2为两离子的电荷数；

d为离子间的距离。

通过上面各物理量的单位我们知道键能的单位为Nm,也就是功的单位焦耳J。

通常，离子键的键能大小约为：（583~1042）*10^3 J/mol。有时在胶粘剂与无机材料界面处，也存在这种离子键。

共价键是两个原子之间通过共用电子对连接形成的，每个电子产生的共价键力为（3~4）*10^-9N，共价键能等于共价键力与形成共价的两个原子间距离的乘积。这种共价键在胶水粘接过程中普遍存在。

共价键键能约为：（62.5~708.9）*10^3 J/mol。

金属键是正离子之间由于电子自由运动而产生的连接力形成的。由于通过金属键力连接成金属晶体，这种力与粘接过程关系不大。金属键键能约为（112.6~346.1）*10^3 J/mol。

▎02. 分子间力

也就是次价键力，包括：取向力、诱导力、色散力，统称为范德华力，还有氢键。

下图是水分子之间的范德华力：

取向力：极性分子永久偶极之间产生的静电引力，又叫定向力。其大小与分子的偶极矩（分子由正负电荷中心间距离与所带电荷的乘积）的平方成正比，与热力学温度成反比，与分子间距离的三次方成反比。其本质就是静电引力。这种力有时表现很突出，直接影响粘接强度。

什么是偶极？

外文名称是dipole，表示分子的极性。可以分为三类：固有偶极、诱导偶极、瞬间偶极。

偶极是一个化学和物理学的概念。它主要描述分子的极性以及分子间相互作用的方式。

分子的极性取决于分子中键的极性以及分子的几何形状，而偶极矩（dipole moment）是表示分子中电荷分布状况的物理量。当非极性分子相互接近时，由于分子中电子的不断运动和原子核的不断振动，常发生电子云和原子核之间的瞬间相对位移，产生瞬间偶极（instantaneous dipole），这种瞬间偶极之间总是处于异极相吸的状态，产生的作用力称为色散力（dispersion force)。

固有偶极是极性分子中由于组成元素不同，其吸引电子的能力各有差异，从而产生电子偏移的现象，这种偶极持续存在。诱导偶极是指非极性分子在电场中或与其他极性分子在较近距离的情况下，电子带负电，核带正电，它们会发生偏移。瞬时偶极是分子中原子核和电子的运动产生的，偶尔离开平衡位置而产生极性，但这个过程持续时间很短。

诱导力：分子间偶极和诱导偶极之间的静电引力。

色散力：分子色散作用产生的力。色散作用存在于包括离子-离子、离子-分子、分子-分子等一切分子或离子之间，与电荷、极性等无关。色散力与分子间距的6次方成反比，而且具有加合性。因此，其占有很重要的地位，非极性分子中色散力占全部分子间作用力的80%~100%。

当氢H原子与电负荷性大的原子X形成化合物HX时，由于电子对偏向X原子一侧，使得H原子带正电荷，X原子带负电荷，HX分子中氢原子吸引另一个HX分子中的X原子，从而形成氢键。