膠粘劑(涂料、油墨)附著力的機(jī)理人們并未完全了解,但形成了一些假設(shè)理論,并用以分析附著過(guò)程和影響附著力的因素。
一、附著力
當(dāng)兩種物體被放在一起達(dá)到緊密的界面分子接觸,以至生成新的界面層時(shí)就生成了附著力。
當(dāng)膠粘劑涂布于基材上,在干燥和固化的過(guò)程中附著力就生成了。這些力的大小取決于基材表面和膠粘劑的性質(zhì)。
廣義上講附著力可分為二類:主價(jià)力和次價(jià)力。化學(xué)鍵即為主價(jià)力,具有比次價(jià)力高得多的附著力。次價(jià)力基于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(tuán)(如羧基)的基材上更常見(jiàn),而在非極性表面如聚乙烯上則較少。
二、附著力理論
1、機(jī)械連接理論
在亞微觀狀態(tài)下觀察,基材表面是粗糙的,充滿孔洞、凹陷。具有良好流動(dòng)性能的液態(tài)膠粘劑流入并填滿這些孔洞、凹陷,干燥固化后形成鉤錨、榫接、鉚合等機(jī)械連接力?;牡拇植诔潭雀摺⒈砻娣e大,附著力就大。只有當(dāng)膠粘劑完全滲透到粗糙表面的不規(guī)則界面處,才對(duì)附著力有利。
只要涂膜稍具流動(dòng)性,就很少會(huì)產(chǎn)生不可釋放應(yīng)力。但隨著涂膜粘度、剛性的增加和對(duì)基材附著力的形成,就會(huì)產(chǎn)生大量的應(yīng)力。膠粘劑在基材的凹凸處的厚度顯然不同,這種不同導(dǎo)致物理性質(zhì)不同。不均一的涂層會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)部應(yīng)力,甚至?xí)?dǎo)致膜層的破裂。
2、化學(xué)鍵理論
在界面間產(chǎn)生化學(xué)鍵,互相反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)牢牢結(jié)合在基材和膠粘劑上。這類連結(jié)最強(qiáng)且耐久性最好。
含反應(yīng)性基團(tuán)如羥基和羧基的膠粘劑傾向于和含有類似基團(tuán)的基材有更強(qiáng)的附著力。光譜分析法可證實(shí)這一點(diǎn)。
3、靜電理論
膠粘劑和基材表面都帶有殘余電子而形成帶電雙電層,這些電子的相互作用也能提高附著力。
靜電力主要來(lái)源于色散力和由永久偶極子引起的相互作用力(一個(gè)分子的正電區(qū)和另一個(gè)分子的負(fù)電區(qū))。誘導(dǎo)偶極子之間的吸引力稱為色散力或倫敦力,是范德華力(分子間力)的一種。
當(dāng)膠粘劑分子與基材分子之間的間距超過(guò)0.5納米(5埃)時(shí),這些力的作用明顯降低。所以保證一定壓力用壓輥使膠粘劑與基材緊密接觸是非常重要的。
4、擴(kuò)散理論
當(dāng)膠粘劑與基材接觸時(shí),大分子的某些短鏈會(huì)向界面另一邊進(jìn)行不同程度的擴(kuò)散。即鏈段穿過(guò)界面后相互擴(kuò)散形成交錯(cuò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
由于長(zhǎng)鏈性質(zhì)不同及擴(kuò)散系數(shù)較低,非相似聚合物通常不相容。完整的大分子穿過(guò)界面互相擴(kuò)散是不可能的。實(shí)驗(yàn)表明,局部鏈段擴(kuò)散很容易發(fā)生,并在界面產(chǎn)生10-1000埃的擴(kuò)散界面層。
三、附著力形成機(jī)理
1、機(jī)理描述
當(dāng)不相似的兩種材料密切接觸時(shí),在空氣中的兩個(gè)自由表面消失,形成新的界面。界面相互作用的性質(zhì)決定了涂料和底材之間成鍵的強(qiáng)度,這種相互作用的程度基本由一相被另一相的潤(rùn)濕性決定,使用液體涂料時(shí),液相的流動(dòng)性也有很大幫助,因此潤(rùn)濕可被看作涂料和底材的密切接觸。為了保持涂層與底材的附著力,除了保證初步的潤(rùn)濕外,在涂膜形成后的完全潤(rùn)濕和固化后仍保持鍵合情況不變是很重要的。
成膜方式
(a)、冷卻到熔融溫度(玻璃化溫度Tg)以下
(b)、化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)
(c)、溶劑和稀釋劑的揮發(fā)
(d)、粘結(jié)料在干燥時(shí)也有交聯(lián)能力。因此涂料對(duì)底材的潤(rùn)濕是形成附著鍵的關(guān)鍵。
2、界面現(xiàn)象
附著力形成機(jī)理的前提是液體涂料在固體基材上產(chǎn)生有效潤(rùn)濕。涂料在液態(tài)時(shí)的表面張力以及基材和固態(tài)涂膜的表面能是影響界面連接強(qiáng)度和附著力形成的重要參數(shù)。
液體的表面張力數(shù)值低于固體的表面張力(表面自由能)數(shù)值時(shí),液體才能在該固體上有效潤(rùn)濕,才可能充分鋪展。二者數(shù)值差越大,潤(rùn)濕、鋪展的程度越好。
1)潤(rùn)濕
潤(rùn)濕過(guò)程就是相界面上一種流體被另一種流體所取代的過(guò)程。衡量潤(rùn)濕程度的參數(shù)是接觸角。
2)、凈吸力
物體表面和內(nèi)部分子的受力狀態(tài)是不同的。
液體表面某分子所受的各個(gè)方向的吸引力,其中A1、A2的力可以互相抵消,C向力及B、D向下的合力為F,B、D水平分力也互相抵消,所以分子受到一個(gè)垂直于液體表面指向液體內(nèi)部的”合吸力”,通常稱為凈吸力,由于有凈吸力的存在,致使液體表面的分子有被拉入液體內(nèi)部的傾向,所以任何液體表表都有自發(fā)縮小的傾向,這也是液體表面表現(xiàn)出表面張力的原因。
固體表面分子同樣存在凈吸力,只是固體分子不能象液體分子一樣可以自由移動(dòng),不能產(chǎn)生表面收縮,但以自由能的形式存在于表面。
3)、表面張力
以球形液滴鋪展到表面為例
表面積變大、意味著液體內(nèi)部的某些分子被“拉到“表面并鋪于表面上。當(dāng)內(nèi)部分子被拉到表面時(shí),需要克服內(nèi)部分子的吸引力而消耗功。因此,表面張力可定義為增加單位面積所消耗的功。
表面張力的單位是N/M。是作用在單位長(zhǎng)度上的力。
分子間力可以引起凈吸力。而凈吸力引起表面張力,表面張力永遠(yuǎn)和液體表面相切,而和凈吸力相互垂直。
4)、表面潤(rùn)濕
把液滴放在固體表面時(shí),會(huì)出現(xiàn)二種現(xiàn)象:一種是液滴會(huì)立即鋪展開(kāi)來(lái),即固體被液體所潤(rùn)濕;另一種是液滴團(tuán)聚成球狀不鋪展,即固體不被液體所潤(rùn)濕。
液體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度,通常用液-固二相的接觸界面AC與液體表面的切線AB之間的夾角(稱接觸角)的大小來(lái)表示。
液體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度
基材可以被表面張力、接觸角小的涂料所潤(rùn)濕、或者說(shuō)二者較接近時(shí)才能潤(rùn)濕。理論上講:若某種物體表面自由能低于33dyn/cm,就幾乎無(wú)法附著目前所知的任何一種膠粘劑。
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