涂料附着力基本原理分析1.doc

塗料附著力基本原理分析(3) 附著形成機理當不相似的兩種材料達到“緊密”接觸時,在空氣中的兩個自由表面消失,形成新的 介面。介面相互作用的性質決定了塗料和底材之間成鍵的強度,這種相互作用的程度 基本由一相被另一相的潤濕性決定,使用液體塗料時,液相的流動性也有很大幫助,因 此潤濕可被看作塗料和底材的密切接觸。為了保持塗層與底材的附著力，除了保證初步的潤濕外,在塗膜形成後的完全潤濕和固 化後仍保持鍵合情況不變是很重要的。塗料以下面的方式固化成膜:(a)冷卻到熔融溫度(玻璃化溫度,Tg)以下,或(b)化學交聯反應,或(c)溶劑和稀釋劑的揮發(a)類塗料的例子如熱塑性粉末塗料或用於金屬或聚合物上的熱熔擠壓聚合物膜。(b) 類塗料包括單或雙組份可交聯環氧、聚氨酯或三聚氰胺固化丙烯酸體系。(c)類塗料 如印刷油墨和清漆,該類型塗料中顏料的粘結料在乾燥時也有交聯能力。因此塗料對底 材的潤濕是形成附著鍵的關鍵。1.潤濕性和表面能考查附著力時潤濕性是必須的標準。前所討論的附著機理只有當底材和塗料達到有 效潤濕時才起作用。表面的潤濕可從熱力學角度描述,塗料在液態時的表面張力以及 底材和固態塗膜的表面能是影響介面連接強度和附著力形成的重要參數。均相的固體或液體表面的分子或原子的周圍環境與內部不同。在內部分子被相同的 分子所包圍,分子間的距離由把分子拉到一起的吸引力和阻止分子佔據同一位置的排 斥力的平衡決定;而介面上的分子各個方向受力不均勻,它們和表面以上的空氣相互 作用,同時受表面以下分子的吸引。表面下的分子傾向于將表面分子向內拉,使表面 分子數最小,因而表面積也最小,這種吸引提高了液體的表面張力,並可解釋液體以液 滴形式存在,好象被一層彈性表皮覆蓋。而且表面分子間的距離比體相大,因而能量 更高。把分子從內部移到表面需要做功,液體增加單位表面積導致的Helmholtz自由 能的增加值定義為表面張力。2.介面熱力學液體塗料對固態表面的潤濕程度通過接觸角()來測定,如圖13。當=0,液體在表 面自由鋪展,稱為完全潤濕。當液相和固相分子的分子吸引大於類似的液體分子時, 發生完全潤濕。3.接觸角和臨界表面張力測定固體表面張力廣泛採用的辦法是測量接觸角。通過測定接觸角來計算表面自由 能的辦法多有爭議,該問題至今仍未解決,因為固體的表面自由能不能直接測定。然 而本專題的用意並非討論這些觀點,作者旨在通過列舉有爭議的觀點,為操作者提 供可靠的指導,使讀者在估計表面熱力學參數時前進一步。近似的表觀接觸角可通過檢測設備供應商提供的各種接觸角儀測定。該法中滴一滴各 種不同的液體在待測的表面上,並測定接觸角。表面性質測定的一種方法是臨界表 面張力c,該法系通過測定一系列液體在表面上的接觸角,以接觸角的余弦對各種液體的 表面張力作圖,並外推至Cos=1(=0)。外推表面張力稱為表面的臨界表面張 力。例如根據上述程式,聚乙烯的臨界表面張力為31達因/釐米。當一液滴滴於該表 面上時,所有表面張力小於或等於該臨界表面張力的液體會自發鋪展。因此,環氧樹 脂的表面張力為47達因/釐米,不會潤濕聚乙烯表面,而另一方面矽油脫膜劑可在表面 上鋪展,其表面張力為24達因/釐米。溶劑 表面張力(達厘/釐米)水 72.7乙二醇 48.4丙二醇 36.0鄰二甲苯30.0甲苯 28.4醋酸丁酯 25.2正丁醇 24.6石油溶劑油24.0甲基異丁酮 23.6甲醇 23.6腦石油 22.0正辛烷 21.8脂肪烴石腦油 19.9正己烷 18.4塗料中典型聚合物和助劑的表面張力：聚合物/表面張力(達因/釐米)三聚氰胺樹脂 57.6聚乙烯醇縮丁醛 53.6苯代三聚氰胺樹脂 52聚乙二酸己二酰胺 46.5Epon 828 46脲醛樹脂 45聚酯三聚氰胺塗膜 44.9聚環氧乙烷二醇,Mw6000 42.9聚苯乙烯 42.6聚氯乙烯 41.9聚甲基丙烯酸甲酯 4165%豆油醇酸 38聚醋酸乙烯酯 36.5聚甲基丙烯酸丁酯 34.6聚丙烯酸正丁酯 33.7Modaflow 32聚四氟乙烯 Mw 1,088 21.5聚二甲基矽氧烷 Mw 1,200 19.8聚二甲基矽氧烷 Mw162 15.7一個頗具戲劇性的例子是環氧樹脂和聚乙烯的試驗,當未固化環氧傾倒於聚乙烯上並 固化時,附著力即使有也很低,而將聚乙烯熔融並塗於已固化環氧樹脂上,附著力相當 強。在第一種情況下,高表面能液體,如環氧樹脂不會潤濕低表面能固體,如c較低 的聚乙烯;在第二種情況下,液體聚乙烯的表面能比固化的環氧低,有利於潤濕。這一 點顯得特別重要,因為熔融聚乙烯粘度較高,通常的為103帕秒,而液體環氧粘度只 有約1帕秒。顯然當有足夠的時間允許潤濕時,粘度並不重要。Zisman圖並非沒有缺陷,Wu和其他人指