附着力理论和机理87422.docVIP

附著力理論和機理當兩物體被放在一起達到緊密的介面分子接觸,以至產生新的介面層,就產生了附著 力。附著力是一種複雜的現象,涉及到“介面”的物理效應和化學反應。因為通常每一可觀察到的表面都與好幾層物理或化學吸附 的分子有關,真實的介面數目並不確切知道,問題是在兩表面的何處劃界及附著真正發生在哪里。當塗料施工於底材上,並在乾燥和固化的過程中附著力就產生了。這些力的大小取 決於表面和粘結料(樹脂、聚合物、基料)的性質。廣義上這些力可分為二類:主價力 和次價力(表1)。化學鍵即為主價力,具有比次價力高得多的附著力,次價力基於以氫 鍵為代表的弱得多的物理作用力。這些作用力在具有極性基團(如羧基)的底材上更 常見,而在非極性表面如聚乙烯上則較少。表1:鍵的強度和鍵能強度/類型/能量(千卡/摩爾)/實例共價鍵/主價力/15～170/絕大多數有機物氫鍵/次價力/12/水色散力/次價力/10/絕大多數分子偶極力/次價力/5/極性有機物誘導力/次價力/0.5/非極性有機物塗料附著的確切機理人們尚未完全瞭解。不過,使兩個物體連接到一起的力可能由 於底材和塗料通過塗料擴散產生機械連接、靜電吸引或化學鍵合。根據底材表面和 所用塗料的物理化學性質的不同,附著可採取上述機理的一種或幾種。一些提出的理論 討論如下。1.機械連接理論這種塗層作用機制適用於當塗料施工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上時,塗料能 夠滲透進去。在這種情況下,塗料的作用很象木材拼合時的釘子,起機械錨定作用。 當底材有凹槽並填滿固化的塗料時,由於機械作用,去掉塗層更加困難,這與把兩塊榫 結的木塊拼在一起類似。對各種表面的儀器分析和繪圖(外形圖)表明,塗料確實可滲 透到複雜“隧道”形狀的凹槽或裂紋中,在固化硬化時,可提供機械附著。各種塗料 對老的或已風化的塗層的附著,以及對噴砂底材的附著就屬於這種機理。磷酸鋅或鐵 與塗料具有較大的接觸面積,因而能提高附著和耐蝕性。圖2展示了假定的底材表面 形狀和塗料的滲透。表面的粗糙程度影響塗料和底材的介面面積。因為去除塗層所需的力與幾何面積有 關,而使塗層附著於底材上的力與實際的介面接觸面積有關。隨著表面積增大,去除 塗層的困難增加,這通常可通過機械打磨方法提供粗糙表面來實現。截面的幾何面積 和實際的介面面積的比較見圖3。實際的介面接觸面積一般比幾何面積大好幾倍。通 過噴砂使表面積增加,結果附著力增加,見圖4。顯然由於其他許多因素的影響,附著 並不按相同比例增加,不過通常可見到顯著的增加。只有當塗料完全滲透到不規則表面處,提高表面粗糙度才有利,若不能完全滲入,則 塗料與表面的接觸會比相應的幾何面積還小,並且在塗料和底材間留有空隙,空隙中 駐留的氣泡會導致水汽的聚積,最終導致附著力的損失。經常通過對已固化的塗層進行磨砂處理,可改進層間附著力(特別是在汽車塗料中), 特別是在底色漆/清漆體系中,要求清漆平滑、光亮且表面能低,因此第二層清漆的附 著有一定的困難。這一問題當塗料在比原定溫度高得多的溫度下固化或烘烤時間延 長時變得更為嚴重,這兩種情況下,對該表面進行輕度打磨表明,附著力可顯著提高。 雖然表面粗糙化能提高附著力,但必須注意避免深而尖的形狀,由於粗糙化產生的尖 峰會導致透影(看到底材),在某些情況下並不希望這樣;而且,深而尖的隆起會形成不 均一的塗層,從而產生應力集中點,附著力降低,從而耐久性下降。只要塗膜稍具流動性,塗膜收縮,厚度不均勻以及三維尺寸的變化就很少會產生不可 釋放應力,但隨著粘度和塗層剛性的增加以及對底材的附著力逐漸形成會產生大量的應 力,並殘留於幹漆膜中。顯然在固定施工參數(濕膜和幹膜厚度)時,凸起部分的塗層 厚度比凹陷處小,導致物理性質不同。這種不均一塗層具有很高的內部應力,在投入 應用時,會進一步受到修補漆溶劑的侵蝕或老化的影響,偶而會超過塗膜的應力承受 能力,導致裂紋、剝落或其他塗膜完整性的降低。電鍍金屬對聚乙烯和ABS塑膠的附著力證明是來源於機械連接。金屬電鍍工藝包括 首先對塑膠表面處理,產生大量的機械凹陷,有利於機械連結,然後用氯化亞錫溶液活 化,並在Pd2+溶液中使Pd沉積,不通電沉積鎳,然後電鍍所需金屬,如鉻。只有當塑膠 處理後產生連接凹陷時,電鍍金屬對塑膠的附著力才強。不同預處理金屬不僅改變表面 的化學組成,而且會產生表面連接點,機械連結對這類表面起著即使不是最關鍵,也是相當大的作用。未處理和磷化處理的冷軋鋼板的表面形態,磷化後表面上可發現大量的交錯的磷酸鐵微晶片,晶片間的空間提供了大量的物理連接點。