解决塑料附着力问题的科学：接触角、表面润湿与化学活化

解决塑料附着力问题的科学：接触角、表面润湿与化学活化

要点摘要

• 粘接不只关乎胶粘剂。油墨、油漆、涂层、封装料、灌封料和金属化遵循同样的科学原理。
• 有四种特性使塑料难以粘接：疏水、表面能低、非极性且惰性，以及表面化学官能性差。
• 仅看静态接触角会产生误导。生产是动态的而非静态的，因此动态接触角更为重要。
• 前进角与后退角测量的内容不同：前进角反映未改性表面，后退角反映经预处理的表面。
• 润湿只是问题的一半。必须创造化学表面官能性，而不仅仅是提高表面能。

聚合物的附着粘接问题在整个塑料行业普遍存在。二维和三维产品常涉及塑料与塑料、塑料与金属、塑料与复合材料、光机等多种粘接。附着粘接应用不仅限于胶粘剂（环氧、聚氨酯、丙烯酸、有机硅等），还包括印刷油墨、油漆和涂层、封装料、灌封料、金属化等的附着。

塑料基材难以粘接，是因为它们是疏水（天然不可润湿）的材料；表面润湿性差（即表面能低）；结构非极性且惰性；并且表面化学官能性差。本文讨论接触角、表面润湿和化学活化的基本科学原理，以获得牢固的附着粘接强度。

常见问题

什么是接触角？为什么它很重要？

接触角是液滴与固体表面交汇点处的切线与该表面水平线之间的夹角。理解接触角及其所代表的固液之间的物理相互作用，可以判断表面润湿性是否足以满足粘接要求。

为什么要测量动态接触角而不是静态接触角？

因为工业生产是动态的，而不是静态的。仅测试静态接触角，可能导致对液/固界面乃至粘接问题本身的误判。

前进接触角与后退接触角有何区别？

前进角对表面的低能、未改性成分最为敏感，而后退角对预处理引入的高能氧化基团更为敏感。因此，对于经处理的表面，后退角是更有意义的测量值。

提高表面能就足以解决粘接问题吗？

不够。人们很容易只关注接触角测量，将其作为唯一的预测指标，但化学表面官能性同样重要：疏水表面必须通过气相氧化被主动转化为可粘接的亲水表面。

这一科学原理涵盖哪些粘接应用？

远不止环氧、聚氨酯、丙烯酸和有机硅等胶粘剂。它同样适用于印刷油墨、油漆和涂层、封装料、灌封料和金属化，涵盖塑料与塑料、塑料与金属、塑料与复合材料以及光机组件。

接触角

设想在静止（平衡状态）的平坦固体表面上有一个液滴，其截面图如下所示（图 1）。固体表面与液滴上表面在端点处的切线所形成的夹角称为接触角。接触角是接触点处切线与固体表面水平线之间的夹角。理解接触角及其固液相互作用的物理特性，可为确定最佳附着粘接的表面润湿条件提供有价值的信息。

气泡/液滴的形状源于分子间作用力，所有液体都会通过表面收缩使所含体积趋于表面积最小的形状。使表面收缩的分子间作用力称为表面张力。表面张力是表面能的一种度量，单位为“dynes/cm”（或 SI 单位 mN/m），是所有液体因分子间作用力而通过表面收缩使所含体积趋于表面积最小形状的特性。

固体基材的表面能相对于液体（水、印刷油墨、胶粘剂/封装料、涂层等）的表面张力越高，其“润湿性”越好，接触角越小。一般而言，当基材的表面能（以 dynes/cm 计）比液体的表面张力高约 8-10 dynes/cm 时，即可获得可接受的粘接附着力（图 2）。

表面润湿测试涉及接触角的测量。当液体不能完全润湿基材（即聚合物产品）时，就会形成接触角。接触角是液体润湿固体的定量度量，直接反映参与各相（气/液/固或液/液/固）之间发生的相互作用。液滴形状和接触角大小，由各参与相（气、液、固）界面张力这三种相互作用力控制。

对于许多应用，可能只需按照 ASTM D2578 等成文测试程序，使用达因液检查静态平衡接触角即可。应用套装或“达因笔/达因液”可提供有用的信息，但并非表面张力的精确测量。表面张力测量结果可能因人员（操作手法）和对“中心”液体行为的判读而有很大差异。达因笔/达因液被认为是可指示表面张力显著差异的方向性指标，能以经济的价格识别“良好”和“不良”的可粘接表面。

动态接触角（DCA）

仅测试静态接触角的流体行为，可能导致对液/固界面结果的误判以及粘接问题解决方案的偏差。这是因为工业制造生产作业更接近真实的动态条件，而不是静态。因此，理解动态接触角（DCA）最为重要。

通常认为，接触角同时受表面化学变化和表面形貌变化的影响。前进接触角对基材表面的低能（未改性）成分最为敏感，而后退角对表面预处理引入的高能氧化基团更为敏感。因此，在使用达因液测量时，后退角实际上是最能表征预处理后表面改性成分的测量值。所以，对所有经表面改性的材料，同时测量前进和后退接触角非常重要¹（图 3）。

当液滴附着在固体表面上并倾斜该固体表面时，液滴会向前涌动并向下滑动。所形成的角度分别称为前进角（θa）和后退角（θr）。ASTM D724 描述了使用先进设备（光学张力仪和测角仪），基于液滴形状分析和质量来分析前进和后退接触角，从而测量 DCA 的方法。

化学表面活化

制造商很容易只关注接触角测量，将其作为粘接问题的唯一预测指标，并据此进行常规表面测试。化学表面官能性同样重要，即将疏水表面活化为可粘接的亲水表面。气相、“辉光放电”和表面氧化预处理工艺可用于化学表面活化。

气相表面氧化工艺方法包括电学电晕放电处理、火焰处理、冷气体等离子体和紫外线照射。每种方法都针对具体应用，并各有独特优势和潜在局限。

等离子体中产生的自由电子、离子、亚稳态粒子、自由基和紫外线所发生的基本化学和物理反应，可以以足够的能量冲击表面，打断大多数聚合物基材表面的分子键。这会在聚合物表面产生极具反应活性的自由基，这些自由基进而可以成键、交联，或在有氧存在时迅速反应，在基材表面形成各种化学官能团。可形成并增强粘接性的极性官能团包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氢过氧基（HOO-）和羟基（HO-）。即使在聚合物中引入少量反应性官能团，也非常有利于改善表面化学官能性和润湿性。此外，化学底涂剂/溶剂和机械打磨（包括模具纹理）可单独使用，也可与气相预处理结合使用。²

聚合物粘接问题十分普遍，并不仅限于胶粘剂。粘接失效会带来重大的成本影响，包括产品现场性能不佳、报废/返工、生产效率低下以及质量控制检验增加。通过理解接触角、表面润湿和化学活化的基本科学原理，几乎任何粘接问题都可以成功解决，即使是使用最难粘接的聚合物和弹性体材料。

参考文献

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

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁。The Sabreen Group 是一家全球性工程咨询公司，专注于塑料二次加工制造工艺，涵盖表面预处理、附着粘接、装饰与表面精饰、激光打标和产品安全。如需了解更多信息，请致电 (888) SABREEN，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

---