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胶粘剂附着力基本原理分析

2021-04-07 18:08:59
胶粘剂(涂料、油墨)附着力的机理人们并未完全了解,但形成了一些假设理论,并用以分析附着过程和影响附着力的因素。
一、附着力
当两种物体被放在一起达到紧密的界面分子接触,以至生成新的界面层时就生成了附着力。
 
当胶粘剂涂布于基材上,在干燥和固化的过程中附着力就生成了。这些力的大小取决于基材表面和胶粘剂的性质。
 
广义上讲附着力可分为二类:主价力和次价力。化学键即为主价力,具有比次价力高得多的附着力。次价力基于以氢键为代表的弱得多的物理作用力。这些作用力在具有极性基团(如羧基)的基材上更常见,而在非极性表面如聚乙烯上则较少。
 
二、附着力理论
 
1、机械连接理论
 
在亚微观状态下观察,基材表面是粗糙的,充满孔洞、凹陷。具有良好流动性能的液态胶粘剂流入并填满这些孔洞、凹陷,干燥固化后形成钩锚、榫接、铆合等机械连接力。基材的粗糙程度高、表面积大,附着力就大。只有当胶粘剂完全渗透到粗糙表面的不规则界面处,才对附着力有利。
 
只要涂膜稍具流动性,就很少会产生不可释放应力。但随着涂膜粘度、刚性的增加和对基材附着力的形成,就会产生大量的应力。胶粘剂在基材的凹凸处的厚度显然不同,这种不同导致物理性质不同。不均一的涂层会产生很大的内部应力,甚至会导致膜层的破裂。
 
2、化学键理论
 
在界面间产生化学键,互相反应的化学基团牢牢结合在基材和胶粘剂上。这类连结最强且耐久性最好。
 
含反应性基团如羟基和羧基的胶粘剂倾向于和含有类似基团的基材有更强的附着力。光谱分析法可证实这一点。
 
3、静电理论
 
胶粘剂和基材表面都带有残余电子而形成带电双电层,这些电子的相互作用也能提高附着力。
 
静电力主要来源于色散力和由永久偶极子引起的相互作用力(一个分子的正电区和另一个分子的负电区)。诱导偶极子之间的吸引力称为色散力或伦敦力,是范德华力(分子间力)的一种。
 
胶粘剂分子与基材分子之间的间距超过0.5纳米(5埃)时,这些力的作用明显降低。所以保证一定压力用压辊使胶粘剂与基材紧密接触是非常重要的。
 
4、扩散理论
 
当胶粘剂与基材接触时,大分子的某些短链会向界面另一边进行不同程度的扩散。即链段穿过界面后相互扩散形成交错网状结构。
 
由于长链性质不同及扩散系数较低,非相似聚合物通常不相容。完整的大分子穿过界面互相扩散是不可能的。实验表明,局部链段扩散很容易发生,并在界面产生10-1000埃的扩散界面层。
 
三、附着力形成机理
 
1、机理描述
 
当不相似的两种材料密切接触时,在空气中的两个自由表面消失,形成新的界面。界面相互作用的性质决定了涂料和底材之间成键的强度,这种相互作用的程度基本由一相被另一相的润湿性决定,使用液体涂料时,液相的流动性也有很大帮助,因此润湿可被看作涂料和底材的密切接触。为了保持涂层与底材的附着力,除了保证初步的润湿外,在涂膜形成后的完全润湿和固化后仍保持键合情况不变是很重要的。
 
成膜方式
 
(a)、冷却到熔融温度(玻璃化温度Tg)以下
 
(b)、化学交联反应
 
(c)、溶剂和稀释剂的挥发
 
(d)、粘结料在干燥时也有交联能力。因此涂料对底材的润湿是形成附着键的关键。
 
2、界面现象
 
附着力形成机理的前提是液体涂料在固体基材上产生有效润湿。涂料在液态时的表面张力以及基材和固态涂膜的表面能是影响界面连接强度和附着力形成的重要参数。
 
液体的表面张力数值低于固体的表面张力(表面自由能)数值时,液体才能在该固体上有效润湿,才可能充分铺展。二者数值差越大,润湿、铺展的程度越好。
 
1)润湿
 
润湿过程就是相界面上一种流体被另一种流体所取代的过程。衡量润湿程度的参数是接触角。
 
2)、净吸力
 
物体表面和内部分子的受力状态是不同的。
 
 
液体表面某分子所受的各个方向的吸引力,其中A1、A2的力可以互相抵消,C向力及B、D向下的合力为F,B、D水平分力也互相抵消,所以分子受到一个垂直于液体表面指向液体内部的”合吸力”,通常称为净吸力,由于有净吸力的存在,致使液体表面的分子有被拉入液体内部的倾向,所以任何液体表表都有自发缩小的倾向,这也是液体表面表现出表面张力的原因。
 
固体表面分子同样存在净吸力,只是固体分子不能象液体分子一样可以自由移动,不能产生表面收缩,但以自由能的形式存在于表面。
 
3)、表面张力
 
以球形液滴铺展到表面为例
 
 
 
表面积变大、意味着液体内部的某些分子被“拉到“表面并铺于表面上。当内部分子被拉到表面时,需要克服内部分子的吸引力而消耗功。因此,表面张力可定义为增加单位面积所消耗的功。
 
表面张力的单位是N/M。是作用在单位长度上的力。
 
分子间力可以引起净吸力。而净吸力引起表面张力,表面张力永远和液体表面相切,而和净吸力相互垂直。
 
4)、表面润湿
 
把液滴放在固体表面时,会出现二种现象:一种是液滴会立即铺展开来,即固体被液体所润湿;另一种是液滴团聚成球状不铺展,即固体不被液体所润湿。
 
 
 
液体对固体的润湿程度,通常用液-固二相的接触界面AC与液体表面的切线AB之间的夹角(称接触角)的大小来表示。
 
液体对固体的润湿程度
 
 
 
基材可以被表面张力、接触角小的涂料所润湿、或者说二者较接近时才能润湿。理论上讲:若某种物体表面自由能低于33dyn/cm,就几乎无法附着目前所知的任何一种胶粘剂。