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塑料之間（含與其他材料）黏接是塑件二次加工中必不可少的環(huán)節(jié)。聚合物之間（含與非金屬或金屬之間）黏接等都存在聚合物基料與不同材料之間界面黏接問題。黏接是不同材料界面間接觸后相互作用的結(jié)果，靠分子間吸引力而黏接東西。被黏物與黏料的界面張力、表面自由能、界面間反應(yīng)等都影響?zhàn)そ印ｐそ硬煌谕繉雍陀∷?，是綜合性強，影響因素復(fù)雜的一類技術(shù)，目前行業(yè)界有吸附理論、化學鍵形成理論、弱界層理論、擴散理論、靜電理論、機械作用力理論等從各個層面詮釋黏接原理。

 

為達到良好的黏接，吸附理論有兩個條件滿足。一是黏接劑要能很好的潤濕被黏物表面；液體黏接劑向被黏表面擴散，逐漸潤濕被黏物表面并滲入表面微孔中，由點接觸變成面接觸。二是黏接劑與被黏物之間有較強的相互作用力；產(chǎn)生吸附作用形成次價鍵或主價鍵。從圖1中看出，表面張力大，潤濕能力差，表面張力小，潤濕能力好。聚合物是表面張力小容易浸潤黏合界面附著力好，表面張力大會讓膠水呈蠟滴狀圓球不擴散。

 

圖1 表面張力與潤濕性能關(guān)系示意圖

 

在粘接過程中，潤濕是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響到粘接強度和粘接效果。潤濕程度通常用接觸角來表示，而楊氏方程則是描述接觸角與界面張力之間關(guān)系的重要公式。

 

一、潤濕與接觸角

 

潤濕是液體在固體表面鋪展的現(xiàn)象，是液體分子與固體分子間相互作用的結(jié)果。在粘接過程中，良好的潤濕意味著液體膠黏劑能夠充分鋪展在被粘接物的表面，形成緊密的接觸。接觸角是描述潤濕程度的一個直觀指標，它表示液滴在固體表面上形成的夾角。當接觸角較小時，說明液體對固體的潤濕性好；當接觸角較大時，則潤濕性差。

 

二、表面自由能基本理論

 

著名的楊氏方程描述了固-液-氣三相接觸的平衡。具體公式如下：

圖1 固液氣三相點

 

楊式方程是所有表面自由能的理論基礎(chǔ)，它描述了空氣、液體和固體相遇的三相接觸點處的力的平衡。楊式方程如下：

γsv是固體表面自由能，γsl是固體和液體之間的界面張力，γlv是液體的表面張力，θy是接觸角。當確定固體表面自由能時，需要知道或測量方程的右側(cè)。表面張力和接觸角很容易測量，但液體和固體之間的界面張力測試很難。

 

如果γs>γl，這個假設(shè)后來證明是真的。Good和Girifalco將方程轉(zhuǎn)換為如下形式：

假定φ=1，這也是WORK理論的基礎(chǔ)。

 

· Fowkes將相互作用分為不同的部分

 

將SFE分成單個組分的想法包括假設(shè)γsl由各種界面相互作用決定，這些相互作用取決于被測基材和測量液體的性質(zhì)。Fowkes假設(shè)固體的表面自由能（和液體的表面張力）是與特定相互作用相關(guān)的獨立組分的總和：

 

其中γsvd，γsvp，γsvh，γsvi和 γsvab 分別是色散、極性、氫、誘導(dǎo)、酸堿組分。γsvo是指所有剩余的相互作用。Fowkes主要研究含有僅出現(xiàn)相互作用的物質(zhì)（固體或液體）的系統(tǒng)。根據(jù)Fowkes的說法，色散相互作用與倫敦力相互作用有關(guān)，由于電子偶極子波動引起。

 

· OWRK法用于計算表面自由能

 

Owen和Wendt延續(xù)了Fowkes的觀點，指出方程右側(cè)的所有分量，除了γsvd都可以被認為是極性的（γsvp）。將多組分方法與Good和Girifalco對界面張力的定義相結(jié)合，基于WORK理論的界面張力可以寫成：

如果與楊氏方程相結(jié)合使用，稱為OWRK的方程可以寫成：

 

 

因為在方程中有兩個未知數(shù)，γsvd和γsvp，所以需要兩個具有已知色散和極性成分的液體。

 

· 液體的選擇

 

一種液體需要選擇主要為極性部分的液體，另一種液體選擇主要為色散部分的液體。這是因為相互作用發(fā)生在相似的組分之間。如果我們只有色散部分，可能的極性相互作用將被忽視。

 

水、甘油和甲酰胺可以用作極性液體，二碘甲烷和α溴萘可用作色散部分。水和二碘甲烷是最常用組合。水由于極性大和無毒的特性，廣泛使用。色散部分選擇比較復(fù)雜，大多數(shù)可用作色散部分的液體表面張力非常低，這導(dǎo)致對于大多數(shù)表面來說接觸角為零。因此，需要更多特殊的液體。OWRK是SFE計算的最常用方法之一。

 

三、表面自由能計算模型

 

表1 表面自由能方法總結(jié)  

模型	使用液體種類	何時使用	其他
OWRK	2種（極性和色散） 典型是水和二碘甲烷	聚合物、鋁、涂層、清漆	最常用的方法，用幾何平均值處理分子間的相互作用，低估了極性相互作用
Wu	2種（極性和色散） 典型是水和二碘甲烷	聚合物、有機溶液、有機顏料	用調(diào)和平均數(shù)處理分子間的相互作用
Acid-base	3種（2極性、2色散）水、甘油、二碘甲烷	生物系統(tǒng)、生物聚合物、蛋白質(zhì)、紙張、顏料、制藥	尤其是在生物系統(tǒng)中許多機型生物聚合物被認為是單極的電子受體或電子供體的極性部分，滴的液體選擇是非常重要的，使用不當?shù)囊后w三聯(lián)體會導(dǎo)致相反的極性數(shù)值
Schultz	2種（1極性、1色散）	高表面自由能固體，如金屬	測定固體表面和液體間的接觸角，需要兩種液體間的界面張力
EQS	1	粗略評估非極性固體表面自由能	并沒有將總體的表面自由能進行區(qū)分，計算是基于實驗中定義的常數(shù)進行的，結(jié)果重現(xiàn)性較差
Zisman	2（實際上液體種類越多結(jié)果越接近真實值）	低能、非極性表面	并不僅僅針對表面自由能也可評估潤濕狀態(tài)下的界面張力，僅適用于完全色散表面

  

 

四、確定最優(yōu)的聚丙烯等離子處理時間

 

聚丙烯樣品通過經(jīng)過空氣等離子處理，時間為1到120秒。等離子系統(tǒng)運行條件為50W，100kHz，腔內(nèi)壓力為1.0torr。處理完成后，使用光學接觸角儀測試探測液體（去離子水，乙二醇和二碘甲烷）的接觸角。每個測試在等離子處理完后約2分鐘測試。液滴設(shè)置為2微升。通過OWRK計算方法通過接觸角確定聚丙烯的表面自由能。

 

圖2 接觸角隨等離子處理時間的變化

 

測試-接觸角

 

在圖2中顯示了每種探測液體的平均接觸角隨等離子處理時間的變化。在開始的幾秒接觸角有個猛烈的降低到了64°，但水的接觸角在15秒后增加到了最大值。二碘甲烷的接觸角也在處理時間4秒后慢慢增加，而乙二醇的接觸角則在整個處理時間段基本保持不變。

 

圖3顯示了在等離子處理前和處理120秒后探測液體在聚丙烯表面的液滴圖。

 

圖3 探測液體的液滴圖（水，二碘甲烷和乙二醇），在未處理和等離子處理120s后的聚丙烯表面

 

測試-表面自由能

 

 通過圖3中的接觸角，用OWRK方法確定聚丙烯的表面自由能（γtot）。總表面自由能，即極性和色散表面自由能與等離子處理時間的關(guān)系在圖3中。開始時γtot=24.2 mJ/m2但在處理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒時降到最低值，而隨后升高到大約40 mJ/m2。

 

表面自由能中色散分量特別是極性部分也非常依賴于處理時間。開始時γp~0因為聚丙烯基本是色散的。經(jīng)過很短時間的離子暴露，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，極性分量降低顯著，與總的表面自由能γtot降低一致，親水性降低。在處理時間大于15秒后，γp 逐漸升高而 γd 略微降低。