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Adhesion and Adhesives Technology
An Introduction
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Inhalt:1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Introduction and Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Advantages and Disadvantages of Adhesive Bonding. . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Uses of Adhesive Bonding in Modern Industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Economics of Adhesive Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6 Literature and Other Sources of I...
Inhalt:
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction and Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Advantages and Disadvantages of Adhesive Bonding. . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Uses of Adhesive Bonding in Modern Industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Economics of Adhesive Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Literature and Other Sources of Information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 The Mechanical Properties of Materials as They Relate to Adhesion . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Definition of Mechanical Stresses for Materials Testing . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Stress-Strain Plots and the Definition of Materials Property Parameters . . 17
2.3.1 Tensile Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Shear Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.3 Strain Energy Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Introduction to Linear Elastic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Introduction to Rheology of Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Introduction to Linear Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 An Application of Materials Properties and Mechanics: The Bending
of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Mechanical Tests of Adhesive Bond Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Failure Modes and the Definition of Practical Adhesion . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Tensile Testing of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Shear Loading of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 The Standard Lap Shear Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Variations on the Lap Shear Specimen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.3 Specimen for Determining the True Shear Properties of an
Adhesive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.4 The Goland-Reissner Analysis of the Lap Shear Specimen . . . . . 56
3.5 Cleavage Loading of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.1 Cleavage or Fracture Specimens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.1.1 Double Cantilever Beam Specimens . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5.1.2 Linear Elastic Fracture Mechanics Applied to the Double
Cantilever Beam Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5.2 Blister Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.3 Compact Tension Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.4 Wedge Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.6 Peel Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.1 Stress Analysis in a Peel Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 The Basics of Intermolecular Forces and Surface Science . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Fundamental Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Electrostatic Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 van der Waals Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.1 Dipole-Dipole Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.2 Dipole-Induced Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2.3 Dispersion Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 Interactions through Electron Pair Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.4 Repulsive Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Surface Forces and Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 Work of Cohesion and Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5 Methods of Measurement of Surface Energy and Related Parameters . . . 92
4.5.1 Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.1.1 Drop Weight/Volume Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.1.2 du Nuoy Tensiometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.2 Surface Energy of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.2.1 Contact Angle Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.2.2 Contact Mechanics and Direct Measurement of Solid
Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.6 Surface Thermodynamics and Predictions of Surface and Interfacial
Tensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.1 The Good-Girifalco Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.6.2 The Fowkes Hypothesis and Fractional Polarity . . . . . . . . . . . . . 105
4.6.3 The Zisman Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.6.4 Modern Application of Contact Angle Measurements . . . . . . . . . 108
4.7 Modern Methods of Surface Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.7.1 Modern Methods for the Analysis of the Chemistry of Surfaces . 112
4.7.2 Topological Methods of Surface Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Basic Physico/Chemical Properties of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Basic Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.1 Monomers versus Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.2 Basic Types of Polymeric Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.3 Molecular Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 Thermal Transitions of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.1 Measurement of Tg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4 Dynamic Mechanical Measurements and Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . 124
5.4.1 Methods of Measurement of Dynamic Mechanical Properties . . . 124
5.4.2 Examples of Dynamic Mechanical Data for Polymers . . . . . . . . 126
5.5 Time-Temperature Superposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6 The Relationship of Surface Science and Adhesion Science . . . . . . . . . . . . . 132
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2 Rationalizations of Adhesion Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 Electrostatic Theory of Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4 Diffusion Theory of Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4.1 Diffusive Adhesive Bonding and Block Copolymers at
Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5 Mechanical Interlocking and Adhesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.1 Kinetics of Pore Penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6 Wettability and Adhesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.7 Acid-Base Interactions at Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.8 Covalent Bonding at Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.8.1 Coupling Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.9 The Relationship of Fundamental Forces of Adhesion and Practical
Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.10 The Weak Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Contents ix
7 The Surface Preparation of Adherends for Adhesive Bonding . . . . . . . . . . . . 164
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2 Plastic Surface Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.2.1 Corona Discharge Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.2.1.1 Corona Discharge Treatment of Polyethylene . . . . . . . . 168
7.2.1.2 Corona Discharge Treatment of Polypropylene . . . . . . . 171
7.2.1.3 Corona Discharge Treatment of Poly(ethylene
terephthalate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.2.1.4 Corona Discharge Treatment of Other Materials . . . . . . 173
7.2.2 Flame Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.3 Plasma Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.3.1 Plasma Treatment of PE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.3.2 Plasma Treatment of Other Substrates . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.4 Other Physical Treatment Methods of Polymer Surfaces . . . . . . . 180
7.2.4.1 Treatments Using Ultraviolet Radiation . . . . . . . . . . . . 180
7.2.4.2 Other Vacuum Methods of Surface Preparation . . . . . . . 181
7.2.5 Wet Chemical Methods of Treatment of Polymer Surfaces . . . . . 181
7.2.5.1 Single Surface Chemical Functionalization and
Chromic Acid Treatment of PE . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2.5.2 Wet Chemical Surface Treatment of
Poly(tetrafluoroethylene) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.2.6 Priming of Polymer Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.2.6.1 Priming of Polyolefins for Cyanoacrylates . . . . . . . . . . 184
7.2.6.2 Chlorinated Polyolefins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.3 Metal Surface Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.3.1 Surface Preparation of Aluminum for Adhesive Bonding . . . . . . 186
7.3.1.1 The Forest Products Laboratory (FPL) Etch . . . . . . . . . 186
7.4 Anodization Treatments for Adhesive Bonding of Aluminum . . . . . . . . 190
7.4.1 Mechanism of Anodization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.4.2 Anodization Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.4.3 Phosphoric Acid Anodization in the Aerospace Industry . . . . . . . 193
7.5 General Techniques for the Surface Preparation of Metals . . . . . . . . . . . 194
7.5.1 Conversion Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.5.2 Abrasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.5.3 Electrochemical Methods for Treating Metals other than
Aluminum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8 The Chemistry and Physical Properties of Structural Adhesives . . . . . . . . . . . 201
8.1 Introduction to Chapters 8-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2 Introduction to Structural Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.1 Physical Forms of Uncured Structural Adhesives. . . . . . . . . . . . 202
8.3 Chemistry of Base Resins Used in Structural Adhesives . . . . . . . . . . . . 204
8.3.1 Phenolics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.3.2 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.3.3 Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.3.1 Time-Temperature-Transformation Diagrams and the
Cure of Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.4 Urethane Resins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.3.5 Acrylics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3.6 High Temperature Performance Structural Adhesives . . . . . . . . . 217
8.4 Formulation of Structural Adhesives for Optimum Performance . . . . . . . 220
8.4.1 Formulation of Phenolic Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.4.2 Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.4.3 Acrylics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.4.4 High Temperature Performance Structural Adhesives . . . . . . . . . 232
8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9 The Chemistry and Physical Properties of Elastomer-Based Adhesives . . . . . . 238
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.2 Pressure-Sensitive Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.2.1 Chemistry of the Base Resins Used in PSAs . . . . . . . . . . . . . . 239
9.2.2 Chemistry of Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.2.1 Natural Product Based Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.2.2 Petroleum-Based Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.2.2.3 Other Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.2.3 Testing of Pressure-Sensitive Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.3.1 Measurements of Tack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.3.2 Measurement of Peel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.2.3.3 Measurement of Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.2.4 Balance of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.2.5 PSA Performance Viewed as a Time Scale in Viscoelastic
Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.2.6 PSA Viscoelasticity and Tack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.2.7 PSA Peel and Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.2.8 Shear and Creep Behavior of PSAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
9.2.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.3 Rubber-Based, Contact Bond and Other Elastomeric Adhesives . . . . . . . 259
9.3.1 Formulation of RBAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.3.2 Base Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.3.3 Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.3.4 Pigments and Fillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.3.5 Crosslinking/Vulcanization of RBAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.3.6 Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.3.7 Elastomeric Adhesives, Sealants, and Realease Coatings Based
upon Silicone Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10 Thermoplastic, Pseudothermoplastic, and Other Adhesives . . . . . . . . . . . . . . 270
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2 Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.2 Polymer Physical Properties and Hot Melt Adhesives . . . . . . . 271
10.2.3 Formulation of Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.2.4 Synthetically Designed Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . 277
10.2.5 Curing Hot Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
10.3 Polyvinyl Acetate-Based Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.4 Polyvinyl Acetal Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.5 Thermoplastic or Pseudo-Thermoplastic Adhesives Based upon
Natural Products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.5.1 Starches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.5.2 Cellulosics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11 The Basis for Adhesive Bond Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.2 Chemistry and Mechanical Properties of Adhesives . . . . . . . . . . . . . . 286
11.3 Application Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4 Interfaces and Surface Preparations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
11.5 Miscellaneous Concerns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.6 Basic Criteria for the Design of an Adhesive Bond . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6.1 Hart-Smith Design Criteria for Double Lap Joints . . . . . . . . . 296
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Answer Key. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction and Chapter Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Advantages and Disadvantages of Adhesive Bonding. . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Uses of Adhesive Bonding in Modern Industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Economics of Adhesive Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Literature and Other Sources of Information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 The Mechanical Properties of Materials as They Relate to Adhesion . . . . . . . 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Definition of Mechanical Stresses for Materials Testing . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Stress-Strain Plots and the Definition of Materials Property Parameters . . 17
2.3.1 Tensile Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Shear Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.3 Strain Energy Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Introduction to Linear Elastic Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Introduction to Rheology of Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Introduction to Linear Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 An Application of Materials Properties and Mechanics: The Bending
of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Mechanical Tests of Adhesive Bond Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Failure Modes and the Definition of Practical Adhesion . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Tensile Testing of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Shear Loading of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 The Standard Lap Shear Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2 Variations on the Lap Shear Specimen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.3 Specimen for Determining the True Shear Properties of an
Adhesive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.4 The Goland-Reissner Analysis of the Lap Shear Specimen . . . . . 56
3.5 Cleavage Loading of Adhesive Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.1 Cleavage or Fracture Specimens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.1.1 Double Cantilever Beam Specimens . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5.1.2 Linear Elastic Fracture Mechanics Applied to the Double
Cantilever Beam Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5.2 Blister Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.3 Compact Tension Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.4 Wedge Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.6 Peel Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.1 Stress Analysis in a Peel Specimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 The Basics of Intermolecular Forces and Surface Science . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Fundamental Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Electrostatic Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 van der Waals Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.1 Dipole-Dipole Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2.2 Dipole-Induced Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2.3 Dispersion Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 Interactions through Electron Pair Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.4 Repulsive Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Surface Forces and Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4 Work of Cohesion and Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5 Methods of Measurement of Surface Energy and Related Parameters . . . 92
4.5.1 Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.1.1 Drop Weight/Volume Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.1.2 du Nuoy Tensiometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.2 Surface Energy of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.2.1 Contact Angle Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.2.2 Contact Mechanics and Direct Measurement of Solid
Surface Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.6 Surface Thermodynamics and Predictions of Surface and Interfacial
Tensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.6.1 The Good-Girifalco Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.6.2 The Fowkes Hypothesis and Fractional Polarity . . . . . . . . . . . . . 105
4.6.3 The Zisman Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.6.4 Modern Application of Contact Angle Measurements . . . . . . . . . 108
4.7 Modern Methods of Surface Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.7.1 Modern Methods for the Analysis of the Chemistry of Surfaces . 112
4.7.2 Topological Methods of Surface Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Basic Physico/Chemical Properties of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2 Basic Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.1 Monomers versus Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.2 Basic Types of Polymeric Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.3 Molecular Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 Thermal Transitions of Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.1 Measurement of Tg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4 Dynamic Mechanical Measurements and Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . 124
5.4.1 Methods of Measurement of Dynamic Mechanical Properties . . . 124
5.4.2 Examples of Dynamic Mechanical Data for Polymers . . . . . . . . 126
5.5 Time-Temperature Superposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6 The Relationship of Surface Science and Adhesion Science . . . . . . . . . . . . . 132
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2 Rationalizations of Adhesion Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 Electrostatic Theory of Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4 Diffusion Theory of Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4.1 Diffusive Adhesive Bonding and Block Copolymers at
Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5 Mechanical Interlocking and Adhesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.1 Kinetics of Pore Penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.6 Wettability and Adhesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.7 Acid-Base Interactions at Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.8 Covalent Bonding at Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.8.1 Coupling Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.9 The Relationship of Fundamental Forces of Adhesion and Practical
Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.10 The Weak Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Contents ix
7 The Surface Preparation of Adherends for Adhesive Bonding . . . . . . . . . . . . 164
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.2 Plastic Surface Preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.2.1 Corona Discharge Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.2.1.1 Corona Discharge Treatment of Polyethylene . . . . . . . . 168
7.2.1.2 Corona Discharge Treatment of Polypropylene . . . . . . . 171
7.2.1.3 Corona Discharge Treatment of Poly(ethylene
terephthalate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.2.1.4 Corona Discharge Treatment of Other Materials . . . . . . 173
7.2.2 Flame Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.2.3 Plasma Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.2.3.1 Plasma Treatment of PE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.3.2 Plasma Treatment of Other Substrates . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.4 Other Physical Treatment Methods of Polymer Surfaces . . . . . . . 180
7.2.4.1 Treatments Using Ultraviolet Radiation . . . . . . . . . . . . 180
7.2.4.2 Other Vacuum Methods of Surface Preparation . . . . . . . 181
7.2.5 Wet Chemical Methods of Treatment of Polymer Surfaces . . . . . 181
7.2.5.1 Single Surface Chemical Functionalization and
Chromic Acid Treatment of PE . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2.5.2 Wet Chemical Surface Treatment of
Poly(tetrafluoroethylene) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.2.6 Priming of Polymer Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.2.6.1 Priming of Polyolefins for Cyanoacrylates . . . . . . . . . . 184
7.2.6.2 Chlorinated Polyolefins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.3 Metal Surface Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.3.1 Surface Preparation of Aluminum for Adhesive Bonding . . . . . . 186
7.3.1.1 The Forest Products Laboratory (FPL) Etch . . . . . . . . . 186
7.4 Anodization Treatments for Adhesive Bonding of Aluminum . . . . . . . . 190
7.4.1 Mechanism of Anodization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.4.2 Anodization Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.4.3 Phosphoric Acid Anodization in the Aerospace Industry . . . . . . . 193
7.5 General Techniques for the Surface Preparation of Metals . . . . . . . . . . . 194
7.5.1 Conversion Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.5.2 Abrasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.5.3 Electrochemical Methods for Treating Metals other than
Aluminum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8 The Chemistry and Physical Properties of Structural Adhesives . . . . . . . . . . . 201
8.1 Introduction to Chapters 8-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2 Introduction to Structural Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.1 Physical Forms of Uncured Structural Adhesives. . . . . . . . . . . . 202
8.3 Chemistry of Base Resins Used in Structural Adhesives . . . . . . . . . . . . 204
8.3.1 Phenolics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.3.2 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.3.3 Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.3.3.1 Time-Temperature-Transformation Diagrams and the
Cure of Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.4 Urethane Resins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.3.5 Acrylics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.3.6 High Temperature Performance Structural Adhesives . . . . . . . . . 217
8.4 Formulation of Structural Adhesives for Optimum Performance . . . . . . . 220
8.4.1 Formulation of Phenolic Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.4.2 Epoxy Resins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.4.3 Acrylics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.4.4 High Temperature Performance Structural Adhesives . . . . . . . . . 232
8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Problems and Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9 The Chemistry and Physical Properties of Elastomer-Based Adhesives . . . . . . 238
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.2 Pressure-Sensitive Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.2.1 Chemistry of the Base Resins Used in PSAs . . . . . . . . . . . . . . 239
9.2.2 Chemistry of Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.2.1 Natural Product Based Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.2.2 Petroleum-Based Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.2.2.3 Other Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
9.2.3 Testing of Pressure-Sensitive Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.3.1 Measurements of Tack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.3.2 Measurement of Peel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.2.3.3 Measurement of Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.2.4 Balance of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.2.5 PSA Performance Viewed as a Time Scale in Viscoelastic
Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.2.6 PSA Viscoelasticity and Tack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.2.7 PSA Peel and Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.2.8 Shear and Creep Behavior of PSAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
9.2.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.3 Rubber-Based, Contact Bond and Other Elastomeric Adhesives . . . . . . . 259
9.3.1 Formulation of RBAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.3.2 Base Polymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
9.3.3 Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.3.4 Pigments and Fillers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.3.5 Crosslinking/Vulcanization of RBAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.3.6 Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.3.7 Elastomeric Adhesives, Sealants, and Realease Coatings Based
upon Silicone Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10 Thermoplastic, Pseudothermoplastic, and Other Adhesives . . . . . . . . . . . . . . 270
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2 Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.2.2 Polymer Physical Properties and Hot Melt Adhesives . . . . . . . 271
10.2.3 Formulation of Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.2.4 Synthetically Designed Hot Melt Adhesives . . . . . . . . . . . . . 277
10.2.5 Curing Hot Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
10.3 Polyvinyl Acetate-Based Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.4 Polyvinyl Acetal Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.5 Thermoplastic or Pseudo-Thermoplastic Adhesives Based upon
Natural Products. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.5.1 Starches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.5.2 Cellulosics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11 The Basis for Adhesive Bond Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.2 Chemistry and Mechanical Properties of Adhesives . . . . . . . . . . . . . . 286
11.3 Application Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4 Interfaces and Surface Preparations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
11.5 Miscellaneous Concerns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.6 Basic Criteria for the Design of an Adhesive Bond . . . . . . . . . . . . . . 294
11.6.1 Hart-Smith Design Criteria for Double Lap Joints . . . . . . . . . 296
11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Problems and Review Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Answer Key. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313