1 附著力形成機理

我們知道要有強的附著力，首先要有緊密的表面接觸。同時要能很好的潤濕，潤濕接觸后才產生附著力。最簡單的是機械咬合力，通過互相擴散形成附著力，通過分子間的作用力（化學鍵力和范德華力）。

1.1 表面潤濕

著名的楊氏接觸角方程被廣泛用于液體在固體表面的潤濕現象分析。潤濕過程與體系的界面張力有關。一滴液體落在水平固體表面上，當達到平衡時，形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏方程（Young Equation)：

γsv是固體表面與氣體的界面自由能，γsl是固體表面與液體的界面自由能，γlv是液體與氣體的界面自由能，θ是測出的接觸角。

若θ<90°，則液體較易潤濕固體，其角度越小，表示潤濕性越好；若θ>90°，則液體不容易潤濕固體，容易在表面上移動。

由此可以預測如下幾種潤濕情況：

1）當θ=0，完全潤濕；

2）當θ＜90°，部分潤濕或潤濕；

3）θ=90°，是潤濕與否的分界線；

4）當θ>90°，不潤濕；

5）當θ=180°，完全不潤濕。

1.2 機械咬合力

機械咬合力是最直接的一種作用力，人們自古以來就用這種方法來連接兩個物體。在亞微觀狀態下觀察，大部分基材表面是粗糙的。具有良好流動性能的膠粘劑或熔體流入并填滿這些孔洞、凹陷，干燥固化后形成鉤錨、榫接、鉚合等機械咬合力。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，而使涂層附著于底材上的力與實際的界面接觸面積有關。隨著表面積增大，去除涂層的困難增加，這通?？赏ㄟ^機械打磨方法提供粗糙表面來實現。

只有當膠粘劑或涂料能滲透到粗糙表面的不規則界面處，才對附著力有利。若不能或滲入不充分，則涂料與表面的接觸會比相應的幾何面積還小，并且在涂料和底材間留有空隙，空隙會導致水汽的聚積，最終導致附著力的損失。這就聯系到毛細管上升現象，接觸角為銳角，浸潤液體上升；接觸角為鈍角，不浸潤液體下降。若膠粘劑或涂料在基材表面的接觸角大于90度，即使有打磨，有較高的粗糙度，粘結強度也不會很強。如要粘結非極性的塑料像聚乙烯，聚四氟乙烯等，由于他們表面能低，低于膠粘劑或涂料，即使是涂覆上去，很難達到緊密界面接觸，同時在界面會存在應力對附著力的持久性有影響。所以塑料表面為了提高粘結附著力，通常用電暈放電處理、力化學接枝、或其他氧化等引進極性集團，從而提高表面能。

另外，要達到粘結兩方親密接觸，還有其他因素。比如可以施加壓力，生產鋁箔高分子復合膜時我們加熱和施加壓力。

1.3 分子、離子或原子間的作用力

(1）主價力或化學鍵

化學鍵主要分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵，化學鍵指的是相鄰原子間強烈的相互作用。離子鍵指的是陰陽離子通過靜電作用所形成的化學鍵，共價鍵指的是通過共用電子對所形成的化學鍵，金屬鍵指金屬陽離子與自由電子之間的強烈相互作用。

克勒恩等通過紅外光譜分析手段發現聚氨酯膠粘劑和環氧底涂有共價鍵產生。由此而得到最強的粘結附著力。格庭斯和金諾奇，Gettings and Kinloch也提供了分析結果，發現在鋼鐵和硅氧烷表面處理層之間有化學鍵Fe-O-Si存在。所以在膠粘劑和涂料領域，在粘結鋼鐵時通常用硅氧烷偶聯劑對基材表面進行前處理。

化學鍵將為粘結附著力做出貢獻，特別是對耐水汽等持久性能的貢獻。

(2）次價力，范德華力

范德華力包括色散力，誘導力和取向力。

色散力：當非極性分子相互靠近時，由于電子的不斷運動和原子核的不斷振動，要使每一瞬間正、負電荷中心都重合是不可能的，在某一瞬間總會有一個偶極存在，這種偶極叫瞬時偶極。由于同極相斥，異極相吸，瞬時偶極之間總是處于異極相鄰的狀態，瞬時偶極之間產生的分子間力叫做色散力。任何分子（不論極性或非極性）互相靠近時，都存在色散力。

誘導力：當極性分子和非極性分子靠近時，除了存在色散力作用外，由于非極性分子受極性分子電場的影晌產生誘導偶極，這種誘導偶極和極性分子的固有偶極之間所產生的吸引力叫做誘導力。

取向力：取向力發生在極性分子與極性分子之間。由于極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負電，形成偶極。因此，當兩個極性分子相互接近時，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個分子必將發生相對轉動。這種偶極子的互相轉動，就使偶極子的相反的極相對，叫做“取向”。這時由于相反的極相距較近，同極相距較遠，結果引力大于斥力，兩個分子靠近，當接近到一定距離之后，斥力與引力達到相對平衡。這種由于極性分子的取向而產生的分子間的作用力，叫做取向力。由于取向力的存在。使極性分子更加靠近，在相鄰分子的固有偶極作用下，使每個分子的正負電荷中心更加分開，產生了誘導偶極。因此極性分子之間還存在著誘導力?？傊?，在非極性分子之間只存在著色散力，在極性分子和非極性分子之間存在著色散力和誘導力，在極性分子之間存在著色散力、誘導力和取向力。

由于相互作用的分子不同，這三種力所占的比例也不同，但色散力通常是最主要的。漢斯博格等，Huntsberge將兩緊密接觸的平面的附著力通過色散力計算出來，發現遠遠大于實際測試的附著力。他們解釋的原因是由于有氣體孔隙和其他缺陷造成的。我們也知道，當兩塊玻璃之間放些水，形成緊密接觸，粘結強度是很大的。雖然液體涂料在基材表面的鋪展潤濕比粉末涂料要來得容易，但事實證明在大部分沒有化學鍵的情況下，這種分子間的作用力已足以滿足要求。

2 影響附著力的因素

當碰到一個附著力的問題時，不要匆忙下結論，需要從整體來考慮。往往客戶在碰到附著力出了問題時最先考慮的是涂料的問題，作為涂料供應方要幫助客戶去分析問題，找出問題發生的原因，說服客戶接受并一起解決問題。下圖是一個基材上有涂膜的橫截面示意圖。包括基材、基材表面層、涂膜、涂膜表面層和界面。其中任何一個部分都有可能對附著力的問題有影響。同時附著力的問題也跑不出這個范圍。

在正常情況下，表面有好的潤濕，兩個表面有好的緊密接觸，由于有上面提到的各種作用力，附著力是沒有問題的。這里討論的是有哪些因素還會造成附著力出問題。根據上面的示意圖我們來逐一探討每一個部分有可能出現的問題。

2.1 界面

貝克曼在1959年在《粘結時代》雜志上發表文章，提出了弱界面層的概念。這個弱界面層是由于空氣氣隙、灰塵、或油脂之類（金屬基材表面加工時有潤滑油沒有除去）污染而形成的。要確定是否這種解釋成立，可以擦洗表面，再預烘烤一下基材，然后涂覆，測試附著力。

如果基材是底涂，在第二涂時附著力出現問題。另外還有重涂附著力問題，就是客戶在噴涂后檢查表面有缺陷時，往往不是去掉涂層而是為了節省時間，直接重涂一次，結果出現附著力問題。這些情況很可能是配方里的蠟加量過多，在烘烤時蠟遷移到第一涂的表面，可以降低蠟的含量來解決問題。還有一種情況也時有發生，就是直接燃氣烘烤爐，燃氣在燃燒時會在產生一氧化氮、二氧化氮和硫化物等，這些小分子化合物沉集在底涂的表面，最嚴重的是第二涂可以像紙一樣撕下來。如果是這種情況，客戶又沒有辦法更改烘烤爐加熱方式，可以幫助客戶從配方上嘗試加抗氧劑來解決問題。還有順便提出的是在噴涂淺色涂料時，這種直燃爐產生的化合物還會影響涂膜的顏色，主要是黃變。

界面除了這些小分子化合物影響附著力，還可能有應力的影響。液體涂料在基材表面的潤濕要比粉末涂料熔體來得容易，粉末涂料本身擴展潤濕不是很好，加上固化時有一定的熱應力產生，所以測試附著力要放置一段時間，讓熱應力消失后再測試。

另外，當在金屬表面噴涂固化后冷卻，金屬基材與涂膜的熱漲冷縮的速度不同步也會產生應力。如果一個工件有厚有薄，烘烤完再急冷，薄的基材部分基材冷卻會更快，可能會出現由應力導致的附著力問題。

2.2 基材表面層

這里主要探討金屬基材表面層。曾經碰到過一個列子，沒有前處理的鋁板上附著力不達標，而在前處理過的鋁板表面附著力達標。原因是沒有前處理過的鋁板表面產生了一層氧化層，這層很薄的氧化層則是影響附著力不達標的弱氧化層。

若本身金屬基材前處理不過關，還有可能噴涂完成后仍然有氧化或生銹反應在進行，雖然涂膜可以屏蔽氧和水分。當涂膜厚度不夠厚（一般高分子膜在60μm以下還可能會產生氧氣和水汽的滲透，相當于半滲透膜），或有由于針孔形成的通道使氧和水汽可以達到界面。所以在一段時間后，附著力出現了問題。這種情況其實耐鹽霧測試也可以檢測出來。

所以金屬表面的前處理很重要，一是要去除弱表面層，二是表面處理層本身不能成為弱表面層，三是要表面鈍化，不再有氧化生銹繼續形成弱表面層的情況發生。

2.3 涂膜表面層

除了前面提到的蠟遷移到界面外，還有配方中的一些添加劑，或者樹脂本身沒有去掉的小分子單體或添加劑，也有可能遷移到表面層。這種情況在塑料表面粘結需要考慮的多，在粉末涂料領域比較罕見，所以不在這里多做探討。

2.4 涂膜層

由于固化溫度或時間不夠，涂膜沒有固化完全，涂膜本身強度不夠，在做劃格測試時，結果附著力不過。也有可能是涂膜過固化，體系交聯密度很高，如聚氨酯體系，涂膜本身太脆，劃格測試時附著力不過。

若過一段時間后測試附著力不過，則可能是涂層耐候性能不夠，涂膜高分子在光照下裂解甚至粉化導致附著力測試不過。

2.5 基材層

前面探討了金屬基材表面層，不過金屬基材層通常對附著力沒有什么影響。這里探討的底涂作為基材來考慮，特別是透明粉照光的情況。若底涂本身不耐候，透明粉又不遮蓋。一段時間后，底涂的本身裂解粉化會造成附著力測試不過。有時雖然有一層其他涂層在中間，但很薄遮蓋性不夠，一段時間后也可能產生附著力測試不過的情況。

3 測試方法

國標（和ISO基本一樣）和美標。

曾經一個客戶投訴附著力問題，他們測試我們的產品在他們的基材上附著力不過，我們自己測試都沒有問題，他們測試的方法我比喻像我們過去用牛犁地那樣。最后把他們總公司的質量總監請過來，當面由他自己測試，沒有發現問題。用犁地的方式甚至可以在一塊本體塑料上刨出一塊來。所以要有標準，大家遵守標準，這樣所得到的結果才有可比性。

目前我們通用的有三個標準：國標GBT928-1998，美國標準，ASTM D3359-2009和國際標準，ISO 2409-2013。三個標準基本一致，和客戶商定，用哪個都可以。

根據標準，有標準劃格刀具和手工劃格兩種，手工劃格用間隔導向裝置，有幾點要注意：

(1）要確保劃格刀的刀刃情況良好；

(2）劃格時要使刀垂直于樣板表面；

(3）均勻施力，用均勻劃格速率；

(4）間距根據膜厚來定：

0-60μm硬底材，1mm間距；0-60μm，軟底材，2mm間距；61-120μm，硬或軟底材，2mm間距；121-250μm，硬或軟底材，3mm間距。

(5）用標準規定的透明膠帶，測試后保留膠帶子為參考。還可以用來觀察（可以借助放大鏡），特別是多層體系，要決定哪層之問的附著力問題。

4 結論

在界面有良好的潤濕接觸前提下，分子、離子或原子間的作用力能達到一定的粘結強度。在色散力的基礎上若加上誘導力，取向力甚至化學鍵力，則得到更加強的粘結附著力。適當時可以用表面打磨來提高附著力。在某些不應該出現但出現了附著力問題時不要輕易下結論是涂料或前處理的問題，而是要根據上面討論的5個都有可能出現問題的方面來全面分析，找出真正的原因所在，從而對癥施治。同時要按照標準的檢測方法來得到可信的結果。

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