粘附
粘附是指两种不同类型的液体或固体表面之间的结合，这是由物理吸引力（界面上分子之间的相互作用）以及共价化学键引起的。
机械互锁，例如由于表面粗糙或大分子缠结，也会发生粘附行为。本文主要讨论物理吸引力引起的粘附。
粘附力和内聚力有什么区别？
粘附是指不同物质/相之间的界面处的结合，而内聚力描述了物质的内部结合。
粘附在哪些领域发挥作用？
粘附在不同液体或固体、不混溶/不溶相之间的每个界面上都有不同程度的发生，这种现象在许多生物学或医学相关过程中也起着重要作用。一个突出的例子是壁虎，它甚至能借助粘附特性在玻璃板上倒立行走。
从技术角度而言，凡是不同材料表面需要临时或永久粘合之处，粘附力都至关重要——尤其在粘接领域，涂层或印刷工艺中亦然。所需粘附强度取决于具体应用场景：例如在飞机或车辆制造中需具备极强的机械稳定性；而在价格标签或粘性胶带等可逆粘合场合，则只需中等粘附力即可。
然而，某些场合往往需要尽可能低的附着力，例如在不粘锅和易清洁表面中。针对不同用途优化所需附着力，正是界面分析的重要任务之一。
如何测量粘附力？
大多数粘附力测量方法直接或间接地确定分离粘合剂所需的力。示例包括根据ASTM D3330的胶带剥离粘附试验或根据ISO 4587/EN 1465的拉伸剪切试验，其中测量了分离两个粘合板所需的力。
根据ASTM D 3359/ISO 2409标准进行的划格测试是评估涂层附着力的常用方法。该测试通过在涂层表面切割网格图案后粘贴胶带，当撕除胶带时检测被连带剥离的网格面积比例来评定附着力等级。
机械测试具有破坏性，有时操作繁琐，常需人工操作，且结果评估往往带有主观性。因此，通过解决粘附的物理根源——界面处的分子相互作用来验证粘附性具有显著优势。借助界面化学方法（如测量表面张力与润湿角（接触角）），即使在液体粘合剂或涂层材料接触基材之前，也能评估粘附性能。尽管通常无法完全避免机械测试，但可以大幅减少其使用频次。
粘附效果和表面张力/表面能有什么关系？
概念模型有助于阐释粘附与表面张力之间的关系：
表面张力是形成表面每单位面积必须消耗的功。如果将一柱液体在横截面上分开，将产生两个大小相等的表面。此过程中必须克服内聚力——相似分子之间的吸引力。因此，内聚功WC等于表面张力σ（希腊小写字母σ；见公式1）的两倍：
该关系式最早由Dupré提出，适用于液-液和液-固界面。σ通常被称为表面自由能（SFE），较少被称为表面张力。对于液固界面，需要接触角来确定粘附功。
为什么等离子体或火焰活化等预处理工艺可以提高粘附效果？
在粘合、涂层或印刷之前，各种预处理方法可以提高润湿性和附着力。特别是塑料最初通常具有低表面自由能（SFE）。因此，基材表面对粘附功WA的贡献较低（见方程式2）。此外，当与水性体系接触时，塑料表面在化学上是不相容的，界面张力σ12变高，这降低了WA的值。
各种处理方法均能提高表面自由能。该处理会生成化学基团，使基材表面更具“亲水性”，因此界面张力随之降低（详见下文）。
使用接触角测量可以最好地量化这种预处理的效果。
粘附和接触角有什么关系？
接触角描述了表面上液滴的“圆度”，是衡量其润湿性的指标。接触角越小，润湿性越好。可以直观地理解，润湿和接触角与粘附有关：要发生粘附，液体必须首先润湿固体，且不能形成水珠。
使用杨氏方程，接触角θ（小写希腊字母θ）与液相（液体/气体）的表面张力σlg、固体的自由表面能σsg（固体/气体）和界面张力σsl（固体/液体）有关（方程3）：
结合式(2)，可根据Young-Dupré（方程式4）得出粘附功WA的关系：
因此，可以通过测量液体的表面张力和与固体的接触角来确定粘附功。
KRÜSS的液滴形状分析仪（DSA）不仅可以测量接触角，还具有精确的表面张力方法——悬滴法和受束座滴法，使粘附功的测定仅需一台仪器即可完成。
哪些分子力会导致粘附？
有许多模型描述了界面处的分子间相互作用力及其对粘附功的贡献。这些方法大多将液体的表面张力和固体的自由表面能分解为极性（“类水”）和非极性（“似油”）相互作用。其中最广为采用的模型是Owens，Wendt，Rabel&Kaelble（OWRK）。
为简化问题，假设两相之间的粘附由同类相互作用引起，即只有当两相均具有极性成分时才会发生极性相互作用。两相的极性越相似，粘附就越强（界面张力导致的不稳定性就越低）。
▶ 有关相互作用模型的更多详细信息，请参阅表面自由能词汇表的文章。
上述表面预处理方法主要通过氧化表面并由此产生极性化学基团来增加表面能的极性成分。然而，这也可能导致过度活化：如果处理后基材的极性比例比涂层高，则两相不完全相容，由此产生的界面张力会降低粘附性和长期稳定性。
通过接触角和表面张力数据，可确定实现良好粘附的理想极性目标值，预测这些数值，并优化表面张力/表面能分布曲线。
▶ 了解更多涂层优化信息，请参阅我们的应用报告AR296（涂布适用性预测），该报告介绍了BYK与KRÜSS的合作项目。
界面相互作用模型对共价化学键粘附的意义是什么？
在某些涂层和粘合过程中，粘合是基于共价键的，例如在粘合玻璃时。此类情况下，物理相互作用模型无法直接计算粘附。然而，由于共价键的形成需要紧密的界面接触，因此良好的润湿和初始粘附是必不可少的，因此测定粘附功和界面张力仍具有重要意义。
极性和非极性相互作用模型是否普遍适用于粘附的优化？
基于极性与非极性相互作用的粘附功计算已在实践中屡次验证其有效性。然而，在许多体系中，计算值与固化涂层和粘合剂的附着力相关性较差。例如，传统接触角或当前前进接触角（RACA）在某些体系中几乎无变化，尽管机械测得的粘附力存在显著差异。研究表明，在许多情况下，去润湿过程中测得的后退角与最终机械粘附力的相关性远强于润湿时的接触角。
如何根据去润湿来表征粘附性？
直观地说，涂层的剥离或粘合剂的剥离与表面去润湿之间存在相似性。尽管这并非科学解释，但表征去润湿行为的后退角通常与机械粘附测量的结果非常相关。这种良好相关性的典型例证是涂层的十字划格测试，KRÜSS联合合作伙伴BYK和Plasmatreat，基于大量数据对此进行了验证。
▶ 请阅读我们的应用报告AR301以了解本研究的结果。
收缩液滴法可用于测量去润湿，该方法根据当前后退接触角（RRCA）来测定去润湿。该测量过程具有可重复性，仅需数秒即可完成，且使用纯水操作安全可靠，因此特别适用于粘接和涂覆工艺前的质量控制环节。
参考文献
- A. M. Dupré, P. Dupré. Théorie mécanique de la chaleur. 1869.
- D. H. Kaelble, Dispersion-Polar Surface Tension Properties of Organic Solids. In: J. Adhesion 2 (1970), pp. 66-81.
- D. Owens; R. Wendt, Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. In: J. Appl. Polym. Sci 13 (1969), pp. 1741-1747.
- W. Rabel, Some aspects of wetting theory and its application to the investigation and modification of the surface properties of polymers. In: Farbe und Lack 77,10 (1971), pp. 997-1005.
- T. Young, An Essay on the Cohesion of Fluids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, The Royal Society, London 1805, Vol. 95, pp. 65-87.
