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利用等离子体对材料表面进行预处理,提高涂料涂层附着力

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-11-17
涂料在日常生活及工业生产中占据了极其重要的地位。涂料主要在基材表面起到装饰、保护和标志作用,如用涂料涂饰各种艺术品、装饰室内与城市环境;涂覆于各种金属和非金属表面以保护材料免受或者减轻材料的腐蚀与磨损;在交通行业,用不同颜色的涂料涂刷各种材料的标识牌和交通道路分离线标志等。出于实际特殊功能的需要,具有某些特殊设施和设备要求的功能涂料应运而生,如导热涂料、导电涂料、防污涂料、耐高温涂料、隔热涂料,红外隐身涂料等。
等离子体处理设备
但是,涂料要充分发挥以上作用的前提是涂层与依附的基材之间有良好的界面结合力。一般用附着力的大小来衡量这种结合力的好坏。涂层的附着力是指涂层与基材间通过物理、化学、机械作用等方式相互粘结在一起的能力,直观地说,就是涂层从基材上被去除掉需要的力。涂层越难从基材上去掉,说明涂层在此种基材上的附着力越好,涂层实用性和耐久性越强,相应的作用就能更好地发挥。如果涂层很容易就从基材上脱落,就起不到作用,反而还会加速材料的老化、腐蚀与磨损。所以,不同材质的界面附着力是评价涂料性能的一个极其重要的指标。

有机涂层的附着机理


机械咬合
任何基材的表面都不可能是绝对光滑的(镜面的粗糙度也大于25nm),都会存在一定的凹坑或凸面,具有一定的表面粗糙度。很多表面如皮革、木材、纸张、水泥和涂刷有颜料体积浓度(PVC)大于临界颜料体积浓度(CPVC)的涂层表面都是多孔的,并且具有很大的粗糙度。涂料涂覆于此类基材上时,涂料可以渗透到这些凹坑或者空隙中。当涂料固化成膜后,涂层和基材就通过这种机械咬合的方式粘结在一起。涂层在这种比较粗糙的基材上的附着力相对较好。机械咬合原理见图1。
图 1 涂层机械咬合附着机理示意
图 1 涂层机械咬合附着机理示意
但基材的粗糙度并不是越大越好,根据理论计算及实际经验,最大粗糙度控制在干膜总厚度的1/3以下较为合适,否则将降低涂层的使用性能和整体涂层厚度的均匀性。基材粗糙度过大,表面微孔或峰谷过大过多时,涂层不易渗透这些微孔,留下带有空气的空隙,当水汽透过涂层到达这些空隙时,会加速材料的腐蚀并且损害涂层的长期附着性。另外,涂层与基材的实际接触面积小于表观接触面积,涂层的附着力也会大大降低。粗糙度会显著影响涂层附着力,当粗糙度发生几微米的变化时,附着力可发生几兆帕的变化。

化学吸附
涂层通过主价键力(化学键)和强次价键氢键附着于基材也能产生较高附着力。化学键包括离子键、金属键和共价键。化学键和氢键键能大大高于范德华力,一旦形成,对附着力的提高具有很大帮助。当涂层与基材接触表面都含有极性较强的N、O、H、P等原子时,涂层与基材之间就有可能形成氢键而提高附着力。如高分子链上含有-OH、-COOH、-NH2时,就可能和基材表面的-O-或者含氧基团形成氢键,并且有时金属会和N、O、H、P等原子形成配位键,这同样可以提高附着力。

当涂层中的高分子主链或侧链中含有较强极性的可参与化学反应的基团时,涂层易于与基材上对应的可参加反应的基团形成共价键。例如,含有活性官能团的高分子涂层被涂刷到木材、纸张、皮革、纺织品以及某些极性聚合物表面时,涂层中的官能团(如-OH)就可能和基材中含有的-OH、-COOH、-NH2、RCHNH2COOH等官能团反应形成共价键。

对于塑料等高分子材料,大多数基材都是低表面能的,表面张力低,表面很少有可参与反应的活性基团。通过对这类材料的表面活化来提高附着力显得尤为重要。


等离子体表面处理


等离子体表面处理是一种基于等离子体中产生的电子、离子、活性粒子和紫外光等和处理材料的表面相互作用,对处理材料表面进行改性、清洗、接枝和功能化等性能达到提高材料表面活性的方法。等离子体表面处理具有效率高、速度快、功能多、可大面积工业化运行等特点。

等离子体处理对材料表面性质的影响


基材表面粗糙度
等离子体的刻蚀作用会使材料表面形貌产生变化,能够增加材料表面的粗糙度,适当增加基材表面粗糙度,能增加涂层与基材的接触面积,一方面增加了涂层与基材的机械附着点,在一定程度上也增加了涂层与基材间的物理吸附(范德华力)、化学吸附作用力。

表面亲水性
当使用等离子体处理某些聚合物材料(如聚乙烯、聚丙烯)时,高能的等离子体会使聚合物分子发生断裂、氧化或交联等反应,在空气环境下可在聚合物链分子中引入羟基、羧基、羰基等极性基团,提高材料表面能,改善材料表面润湿性能。极性基团的引入可以显著提高涂层与底材附着力,原因之一是涂层与底材之间形成了化学键。

等离子体表面处理就是让等离子体与材料表面接触,在等离子体作用下改变材料表面性能。等离子体表面处理属于干式工艺,可以节省能源、无公害。同时等离子体可以处理各种形状的材料,其处理时间短、效率高。利用等离子处理材料表面,可以提升表面的粗糙度和亲水性,间接对提高涂层与基材的附着力有很大帮助。
 

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