UVLED固化涂層附著(zhù)力理論

當兩物體被放在一起達到緊密的界面分子接觸,以至生成新的界面層,就生成了附著(zhù)力。附著(zhù)力是一種復雜的現象,涉及到“界面”的物理效應和化學(xué)反應。

當涂料施工于基材上,并在干燥和固化的過(guò)程中附著(zhù)力就生成了。這些力的大小取 決于表面和涂膜(樹(shù)脂、活性單體、助劑、溶劑等)的性質(zhì)。廣義上這些力可分為二類(lèi):主價(jià)力和次價(jià)力?；瘜W(xué)鍵即為主價(jià)力,具有比次價(jià)力高得多的附著(zhù)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(如,羥基、羧基等)的底材上更 常見(jiàn),而在非極性表面如聚乙烯（PE）、聚丙烯(PP)上則較少。

涂料附著(zhù)的確切機理目前尚未完全了解。但使兩個(gè)物體連接到一起的力由于底材和涂料通過(guò)涂料擴散生成機械連接、靜電吸引或化學(xué)鍵合。根據底材表面和所用涂料的物理化學(xué)性質(zhì)的不同,附著(zhù)可采取以下機理的一種或幾種。

1.機械連接理論

這種涂層作用機制適用于當涂料施工于含有孔、洞、裂隙或空穴的底材上時(shí),涂料能夠滲透進(jìn)去。在這種情況下,涂料的作用很象木材拼合時(shí)的釘子,起機械錨定作用。 當底材有凹槽并填滿(mǎn)固化的涂料時(shí),由于機械作用,去掉涂層更加困難,這與把兩塊榫結的木塊拼在一起類(lèi)似。對各種表面的儀器分析表明,涂料確實(shí)可滲透到復雜“隧道”形狀的凹槽或裂紋中,在固化硬化時(shí),可提供機械附著(zhù)。涂料對疏松結構基材,以及對噴砂底材的附著(zhù)就屬于這種機理。

表面的粗糙程度影響涂料和底材的界面面積。因為去除涂層所需的力與幾何面積有關(guān),而使涂層附著(zhù)于底材上的力與實(shí)際的界面接觸面積有關(guān)。隨著(zhù)表面積增大,去除涂層的困難增加,這通?？赏ㄟ^(guò)機械打磨方法提供粗糙表面來(lái)實(shí)現。實(shí)際的界面接觸面積一般比幾何面積大好幾倍。通過(guò)噴砂或填料使表面積增加,結果附著(zhù)力增加,

只有當涂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 涂料與表面的接觸會(huì )比相應的幾何面積還小,并且在涂料和底材間留有空隙,空隙中駐留的氣泡會(huì )導致水汽的聚積,最終導致附著(zhù)力的下降或徹底散失。

通過(guò)對已固化的涂層進(jìn)行打磨處理,可改進(jìn)層間附著(zhù)力(如UV木器涂料中), 特別是在底漆/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(zhù)有一定的困難。這一問(wèn)題當涂料以光固化方式固化時(shí)變得更為嚴重,在此情況下,對該表面進(jìn)行輕度打磨,附著(zhù)力可顯著(zhù)提高。 雖然表面粗糙化能提高附著(zhù)力,但必須注意避免深而尖的形狀,由于粗糙化生成的砂痕或尖峰會(huì )導致透影(看到底材),在大多數情況下并不希望這樣;同時(shí)也容易形成不均一的涂層,生成應力集中點(diǎn),從而導致附著(zhù)力降低。

只要涂膜稍具流動(dòng)性,涂膜收縮,厚度不均勻以及三維尺寸的變化就很少會(huì )生成不可釋放應力,但隨著(zhù)粘度和涂層剛性的增加，涂膜對底材的附著(zhù)力逐漸形成的過(guò)程中會(huì )生成大量的應力,并殘留于干漆膜中。尤其在涂膜出現厚度不均一涂層中，具有很高的內部應力,在實(shí)際應用時(shí),極有可能會(huì )超過(guò)涂膜的應力承受能力,導致裂紋、剝落或其他附著(zhù)降低的情況。

2.化學(xué)鍵理論

在界面間可能形成共價(jià)鍵,且在光固化和熱固化的性涂料中更有可能發(fā)生,這一類(lèi)連結最強且耐久性最佳,但這要求相互反應的化學(xué)基團牢牢結合在底材和涂層中。因為界面層很薄, 界面上的化學(xué)鍵很難檢測到。然而,如下面所討論的,確實(shí)發(fā)生了界面鍵合,從而大大提高了粘結強度。有些表面,如已涂過(guò)的表面、木材、復合物和塑料,會(huì )有各種各樣的化學(xué)官能團,在合適的條件下,可和涂層材料形成化學(xué)鍵。

硅氧烷偶聯(lián)劑廣泛用于各類(lèi)涂料附著(zhù)力的解決過(guò)程中,可用作底漆或一體化混合物以促進(jìn)涂層對無(wú)機底材、金屬和塑料的附著(zhù)力。在實(shí)際應用時(shí),它可與基材表面的羥基,或者也可能與其他金屬氧化物形成強的醚鍵 。這類(lèi)化學(xué)鍵合可發(fā)生在玻璃、陶瓷及一些金屬底材表面的金屬氫氧化物。

含有羥基和羧基的UV涂料傾向于和含有類(lèi)似基團的底材更牢固地附著(zhù)，基材上殘留的基團極易與它們進(jìn)行反應，從而把涂層和底材咬合在一起，這類(lèi)化學(xué)反應的發(fā)生大多數情況下出現在涂膜潤濕完全的前提下，濕膜侵蝕底材后形成PIN界面，在涂膜干燥后，極性基團

之間相互咬合形成鞏固?；瘜W(xué)鍵合的形成在高溫下會(huì )更加容易進(jìn)行，同時(shí)，這類(lèi)附著(zhù)力形成的牢度遠大于其他理論的方式。

3.靜電理論

涂層和基材表面均帶有殘余電荷,散布于體系中,這些電荷的相互作用能提高一些附著(zhù)力。靜電力主要是色散力和來(lái)源于永久偶極子的相互作用力。含有永久偶極子物質(zhì)的分子間的吸引力由一個(gè)分子的正電區和另一分子的負電區的相互作用引起。

涂料潤濕固體表面的程度通過(guò)接觸角測定誘導偶極子間的吸引力,稱(chēng)為色散力，是范德華力的一種,也對附著(zhù)力有所貢獻,對某些底材/涂料體系,這些力提供了涂料和底材間的大部分吸引力。應該注意到這些相互作用只是短程相互作用。因為當距離超過(guò)0.5納米(5埃)時(shí),這些

力的作用明顯下降,所以涂層和底材的密切接觸是必要的。

4.擴散理論

當涂料和底材這兩相通過(guò)潤濕達到分子接觸時(shí),根據材料的性質(zhì)和固化條件的不同,大分子上的某些片段會(huì )向界面另一邊進(jìn)行不同程度的擴散。這種現象需經(jīng)兩步完成,即潤濕之后鏈段穿過(guò)界面相互擴散形成交錯網(wǎng)狀結構。

因為長(cháng)鏈性質(zhì)不同和擴散系數較低,非相似聚合物通常不兼容,因此,完整的大分子穿過(guò)界面擴散是不可能的。然而,理論和實(shí)驗資料表明,局部鏈段擴散很容易發(fā)生,涂料的擴散也從接觸時(shí)間、固化溫度和分子結構(分子量、分子鏈柔性、側鏈基團、極性、雙鍵和物理兼容性)

的影響間接得到證實(shí)。直接的證據則包括擴散系數的測定、電鏡對界面結構的觀(guān)察、輻射熱致發(fā)光技術(shù)和光學(xué)顯微鏡。顯然,這種擴散最易發(fā)生在諸如工程塑料的基材上,因為分子間自由體積較大,且與金屬及玻璃等相比分子間距離大得多。