解決塑膠附著問題的科學：接觸角、表面潤濕與化學活化

解決塑膠附著問題的科學：接觸角、表面潤濕與化學活化

重點摘要

• 黏接不僅涉及黏著劑。相同的科學原理同樣適用於油墨、油漆、塗料、封裝膠、灌封膠與金屬化。
• 有四項特性使塑膠難以黏接：疏水、表面能低、非極性且惰性，以及表面化學官能性差。
• 僅看靜態接觸角容易誤判。生產是動態而非靜態的，因此動態接觸角更為重要。
• 前進角與後退角量測的內容不同：前進角反映未改質的表面，後退角則反映經前處理的表面。
• 潤濕只解決了一半的問題。必須創造表面化學官能性，而不僅僅是提高表面能。

聚合物附著接合問題在整個塑膠產業中無所不在。二維與三維產品經常涉及塑膠與塑膠、塑膠與金屬、塑膠與複合材料、光機械等的黏接。附著接合應用不限於黏著劑（環氧樹脂、聚胺酯、丙烯酸、矽氧樹脂等），還包括列印油墨、油漆與塗料、封裝膠、灌封膠、金屬化等的附著。

塑膠基材之所以難以黏接，是因為它們是疏水（天然不可潤濕）的材料，表面潤濕性差（即表面能低），為非極性、惰性結構，且表面化學官能性差。本文探討接觸角、表面潤濕與化學活化的基本科學，以取得強附著黏接強度。

常見問題

什麼是接觸角？為什麼重要？

接觸角是液滴與固體表面相接處的切線，與該表面水平線之間所形成的夾角。瞭解接觸角及其所代表的固體與液體之間的物理交互作用，就能判斷表面潤濕性是否足以進行黏接。

為什麼要量測動態接觸角而非靜態接觸角？

因為工業生產是動態而非靜態的。僅測試靜態接觸角，可能導致對液／固界面以及黏接問題本身的誤判。

前進接觸角與後退接觸角有何不同？

前進角對表面上低能量、未改質的成分最為敏感，而後退角則對前處理所引入的高能量氧化基團更為敏感。因此，在經處理的表面上，後退角是更有意義的量測值。

提高表面能就足以解決黏接問題嗎？

不。人們往往傾向只把接觸角量測當作唯一的預測指標，但表面化學官能性同樣重要，疏水表面必須透過氣相氧化，主動轉化為可黏接的親水表面。

這套科學涵蓋哪些黏接應用？

遠不止環氧樹脂、聚胺酯、丙烯酸與矽氧樹脂等黏著劑。它同樣適用於列印油墨、油漆與塗料、封裝膠、灌封膠與金屬化，涵蓋塑膠與塑膠、塑膠與金屬、塑膠與複合材料以及光機械組件。

接觸角

考慮靜止（平衡狀態）的平坦固體表面上的單一液滴。下方顯示其橫截面視圖（圖 1）。固體表面與端點處上表面切線所形成的角，稱為接觸角。接觸角是接觸點切線與固體表面水平線之間的夾角。瞭解接觸角及其固體與液體之間交互作用的物理特性，可為判定最佳附著接合表面潤濕條件提供寶貴資訊。

氣泡／液滴的形狀，源自所有液體因分子作用力收縮表面、傾向使所含體積形成表面積最小形狀的特性。使表面收縮的分子間作用力稱為表面張力。表面張力是表面能的一種量測方式，以「dynes/cm」（或國際單位制 mN/m）表示，是所有液體因分子作用力而收縮表面，傾向使所含體積形成表面積最小形狀的性質。

固體基材的表面能相對於液體（水、列印油墨、黏著劑／封裝膠、塗料等）的表面張力越高，其「潤濕性」越好，接觸角也越小。一般而言，當基材的表面能（以 dynes/cm 衡量）比液體的表面張力大約 8-10 dynes/cm 時，即可取得可接受的黏接附著（圖 2）。

表面潤濕測試涉及量測接觸角。當液體無法完全潤濕基材（即聚合物產品）時，就會形成接觸角。接觸角是液體潤濕固體的定量量測，直接量測參與各相（氣／液／固或液／液／固）之間發生的交互作用。液滴的形狀與接觸角的大小，由各參與相（氣體、液體與固體）界面張力的三種交互作用力所控制。

對許多應用而言，可能只需依據 ASTM D2578 等文件化測試程序，使用達因液檢查靜態平衡接觸角即可。應用套件或「達因筆／達因液」可提供有用的資訊，但並非精確的表面張力量測。表面張力量測結果可能因個人（技術）以及對「中心」液體行為的詮釋而有很大差異。達因筆／達因液已知是表面張力顯著差異的方向性指標，能以經濟的價格辨識「良好」與「不良」的可黏接表面。

動態接觸角（DCA）

僅測試靜態接觸角的流體行為，可能導致對液／固界面結果的誤判，並影響黏接問題的解決。這是因為工業製造的生產作業，更真實的情況是動態條件而非靜態。因此，瞭解動態接觸角（DCA）最為重要。

一般認為，接觸角同時受表面化學變化與表面形貌變化的影響。前進接觸角對基材表面上低能量（未改質）的成分最為敏感，而後退角則對表面前處理所引入的高能量氧化基團更為敏感。因此，以達因液量測時，後退角實際上是最能表徵前處理後表面改質部分的量測值。所以，對所有經表面改質的材料，同時量測前進與後退接觸角非常重要1（圖 3）。

當液滴附著在固體表面上並將固體表面傾斜時，液滴會向前湧動並向下滑動。所形成的角度分別稱為前進角（θa）與後退角（θr）。ASTM D724 描述了使用先進設備（光學張力計與接觸角量測儀），依據液滴形狀分析與質量分析來量測前進與後退接觸角的 DCA 方法。

化學表面活化

製造商往往強烈傾向只把接觸角量測當作黏接問題的唯一預測指標，並據此進行例行表面測試。化學表面官能性同樣重要，即將疏水表面活化為可黏接的親水表面。化學表面活化採用氣相、「輝光放電」與表面氧化前處理製程。

氣相表面氧化製程方法包括電暈放電（電氣式）、火焰處理、冷氣體電漿與紫外線照射。每種方法皆依應用而異，各有獨特優勢與潛在限制。

電漿中產生的自由電子、離子、亞穩態粒子、自由基與 UV 所發生的基本化學與物理反應，可以足以打斷大多數聚合物基材表面分子鍵的能量衝擊表面。這會在聚合物表面產生極具反應性的自由基，這些自由基進而可形成交聯，或在有氧存在時迅速反應，於基材表面形成各種化學官能基。可形成並提升黏接性的極性官能基包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氫過氧基（HOO-）與羥基（HO-）。即使在聚合物中引入少量反應性官能基，也對改善表面化學官能性與潤濕性大有助益。此外，化學助黏劑／溶劑與機械打磨（包括模具紋理）可單獨使用，或與氣相前處理搭配使用。2

聚合物黏接問題普遍存在，且不僅限於黏著劑。黏接失效具有重大的成本影響，包括產品現場性能不佳、報廢／重工、生產效率低落，以及品質管制檢驗增加。透過瞭解接觸角、表面潤濕與化學活化的基本科學，幾乎任何黏接問題都能成功解決，即使使用最難黏接的聚合物與彈性體材料也不例外。

參考文獻

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Acknowledgement: Enercon Industries Corporation – photos

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁。The Sabreen Group 是專精於塑膠二次加工製程的全球工程顧問公司，服務涵蓋表面前處理、附著接合、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。如需更多資訊，請致電 (888) SABREEN，或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

---