附着力理论和机理

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1、一、附着力理论和机理当两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就生成了附着力。附着力是一种复杂的现象涉及到“界面”的物理效应和化学反应。因为通常每一可观察到的表面都与好几层物理或化学吸附的分子有关真实的界面数目并不确切知道问题是在两表面的何处划界及附着真正发生在哪里。当涂料施工于底材上并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表面和粘结料树脂、聚合物、基料的性质。广义上这些力可分为二类:主价力和次价力表1。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底材上更常见而在非极性表面如

2、聚乙烯上则较少。表1:键的强度和键能强度/类型/能量千卡/摩尔/实例共价键主价力15170绝大多数有机物氢键次价力lt12水色散力次价力lt10绝大多数分子偶极力次价力lt5极性有机物诱导力次价力lt0.5非极性有机物涂料附着的确切机理人们尚未完全了解。不过使两个物体连接到一起的力可能由于底材和涂料通过涂料扩散生成机械连接、静电吸引或化学键合。根据底材表面和所用涂料的物理化学性质的不同附着可采取上述机理的一种或几种。一些提出的理论讨论如下1.机械连接理论这种涂层作用机制适用于当涂料施工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上时涂料能够渗透进去。在这种情况下涂料的作用很象木材拼合时的钉子起

3、机械铆定作用。当底材有凹槽并填满固化的涂料时由于机械作用去掉涂层更加困难这与把两块榫结的木块拼在一起类似。对各种表面的仪器分析和绘图外形图表明涂料确实可渗透到复杂“隧道”形状的凹槽或裂纹中在固化硬化时可提供机械附着。各种涂料对老的或已风化的涂层的附着以及对喷砂底材的附着就属于这种机理。磷酸锌或铁与涂料具有较大的接触面积因而能提高附着和耐蚀性。图2展示了假定的底材表面形状和涂料的渗透。表面的粗糙程度影响涂料和底材的界面面积。因为去除涂层所需的力与几何面积有关而使涂层附着于底材上的力与实际的界面接触面积有关。随着表面积增大去除涂层的困难增加这通常可通过机械打磨方法提供粗糙表面来实现。

4、截面的几何面积和实际的界面面积的比较见图3。实际的界面接触面积一般比几何面积大好几倍。通过喷砂使表面积增加结果附着力增加见图4。显然由于其他许多因素的影响附着并不按相同比例增加不过通常可见到显着的增加。只有当涂料完全渗透到不规则表面处提高表面粗糙度才有利若不能完全渗入则涂料与表面的接触会比相应的几何面积还小并且在涂料和底材间留有空隙空隙中驻留的气泡会导致水汽的聚积最终导致附着力的损失。经常通过对已固化的涂层进行磨砂处理可改进层间附着力特别是在汽车涂料中特别是在底色漆/清漆体系中要求清漆平滑、光亮且表面能低因此第二层清漆的附着有一定的困难。这一问题当涂料在比原定温度高得多的温度下固

5、化或烘烤时间延长时变得更为严重这两种情况下对该表面进行轻度打磨表明附着力可显着提高。虽然表面粗糙化能提高附着力但必须注意避免深而尖的形状由于粗糙化生成的尖※※导致透影看到底材在某些情况下并不希望这样而且深而尖的隆起会形成不均一的涂层从而生成应力集中点附着力降低从而耐久性下降。只要涂膜稍具流动性涂膜收缩厚度不均匀以及三维尺寸的变化就很少会生成不可释放应力但随着粘度和涂层刚性的增加以及对底材的附着力逐渐形成会生成大量的应力并残留于干漆膜中。显然在固定施工参数湿膜和干膜厚度时凸起部分的涂层厚度比凹陷处小导致物理性质不同。这种不均一涂层具有很高的内部应力在投入应用时会进一步受到修补漆溶剂

6、的侵蚀或老化的影响偶而会超过涂膜的应力承受能力导致裂纹、剥落或其他涂膜完整性的降低。2.化学键理论在界面间可能形成共价键且在热固性涂料中更有可能发生这一类连结最强且耐久性最佳但这要求相互反应的化学基团牢牢结合在底材和涂料上。因为界面层很薄界面上的化学键很难检测到。然而如下面所讨论的确实发生了界面键合从而大大提高了粘结强度。有些表面如已涂过的表面、木材、复合物和有些塑料会有各种各样的化学官能团在合适的条件下可和涂层材料形成化学键。有机矽烷广泛用于玻璃纤维的底漆以提高树脂和纤维增强塑料中玻璃的附着力也可用作底漆或一体化混合物以促进树脂对矿石、金属和塑料的附着力。实质上应用时生成了矽醇

7、基可与玻璃表面的矽醇基或者也可能与其他金属氧化物形成强的醚键。这类化学键合可发生在玻璃、陶瓷及一些金属底材表面的金属氢氧化物和含矽烷涂料间。含反应性基团如羟基和羧基的涂料倾向于和含有类似基团的底材更牢固地附着、这种机理的一个例子是三聚氰胺固化丙烯酸面漆对三聚氰胺固化聚酯底漆的优异附着力一种可能的解释是已固化底漆的剩余羟基会与面漆的三聚氰胺固化剂反应实际上把底漆和面漆拉在了一起。当该涂料过烘烤烘烤时间过长和/或固化温度过高时面漆的附着力显着减弱有时甚至无附着力。剩余羟基会对附着力有