作者：Michael F. Knoblauch和Kevin M. Otto；Keyland，聚合物材料科学有限责任公司；俄亥俄州，克利夫兰
在不考虑基材类型（金属、木材、塑料、复合材料、纸张、玻璃或工程材料）的情况下，附着力测试是评估涂层性能的第一个可测量标准。用涂层的术语来说，这可以表示为“它是否能很好的附着在基材上”，如果可以，“附着力的测量方法是什么？”附着力测试适用于所有形式的涂料——液体涂料、粉末涂料、清漆和油墨等。涂层的固化体系或机制与附着力的测量无关，无论固化类型是环境空气、热能还是辐射能（紫外线或电子束（EB）），涂层都必须“粘附”在基材上。即便是涂覆和固化完美的涂层也不能保证它一定可以很好地附着在基材上。在涂覆前适当地对基材进行预处理，是在任何基材上实现涂层所需附着力的最重要和决定性因素。
对基材进行预处理需要了解基材的物理特性，了解涂覆产品的最终用途，然后识别、选择和使用正确的预处理材料。将预处理材料和工艺与最终的涂覆材料进行匹配，才能确保涂料在施涂和固化后达到所需的附着力。黑色金属的制备或预处理是众所周知的，通常会选用磷酸铁、磷酸锌和锆等预处理材料，这些材料与许多液体和粉末涂料都十分兼容。对于大多数常见的工业金属和木材基材，存在着广阔的与涂层材料相对应的预处理材料和工艺平台，这些材料使用良好，且构成了成熟的通用涂料市场。
开发和使用塑料和复合材料作为金属的替代品，以达到减轻重量、节省燃料、提高产品强度和实现设计目标的目的，这对涂料市场来说是令人兴奋的新机遇。涂层的附着力取决于涂施前的制备和/或预处理。本研究选择了UV固化粉末涂料，因为它熔化涂料所需的热量最小（通常不超过130°C），熔化粉末的时间为1到2分钟，然后几乎立即便可以进行UV固化，且热量不会影响被测基材的完整性。本文报告了利用等离子体作为表面改性剂在塑料和复合材料等基材上的应用，以提高紫外光固化粉末涂料的表面能和附着力的研究结果。
ASTM D33591是涂料与基材附着力测量和分类的标准和公认方法。
图一 胶带法附着力测试
涂层上用刀或切割器按规定间距划网格线（图1）。将A压敏胶带贴在指定区域上，然后将其从基材上急剧拉下。附着力是根据胶带从基材上去除的涂料百分比来分类的(图2)。5B为最佳，4B为可接受，涂料完全去除则是失败的或不可接受的。此分类方法适用于整个研究过程。
等离子体通常被称为物质的第四种形态；固体、液体和气体是三种主要形态（图3）。而热能的增加或去除，是改变物质性质的干预输入。等离子体是一种具导电能力的气体。将电能与等离子体气体相结合，便改变或改性了预处理过的基材表面，从而影响了涂层与基材的附着力。
等离子体与表面的相互作用是物理的，也是化学的。通常，低能表面（像大多数塑料和复合材料）都是疏水的，并且不具备润湿性。润湿性是指液相和固相之间的相互作用，即测量一种材料在固体表面扩散和流动的趋势。等离子体处理将低能表面转化为高能表面，使其更亲水、更具湿润性。涂层的附着力与润湿性有直接关系，表面越润湿，附着力越好。
等离子体有六种成分：电子、离子、自由基、副产物、光子和中性粒子。两个关键的成分是离子和自由基，离子可以刺激材料表面发生物理变化，自由基则刺激材料表面的化学变化。离子和自由基通过控制等离子体装置的射频（RF）源和气体源（通常是氧气、氩气或空气）相互作用（图4）。
电荷和气体的相互作用受处理时间、射频功率和真空压力的控制。通过调整这些参数，可以得到理想的基材处理。等离子体处理的目的是对材料表面进行物理清洗和侵蚀，并为涂层提供化学活性结合点。最终形成一个有利于涂层附着力的亲水的，润湿的表面。
大气等离子体是等离子体处理的一种形式。这项技术使用一支喷枪或棒作为等离子体分配器，将放电的等离子体对准表面，但它只会撞击到与放电场一样大的区域。与传统的大气等离子体处理系统不同，真空等离子体装置可以同时对三维物体的所有表面进行完整处理。真空等离子体相较大气等离子体有几个显著优点。由于不受视线范围的控制，等离子体可以“到达”所有表面：环境条件和/或操作人员的变化不影响工艺结果；时间和真空压力由工艺控制；可以同时加工多个零件。
我们选用了真空等离子体作为研究对象。首先，将产品放置在处理装置内，然后抽空空气，使处理装置变为真空环境，再将选定的气体注入，射频能量被供应到电极上，产生的等离子体便均匀地撞击在了产品的所有表面上。
用dyne测试笔测定了处理后材料的表面能。dyne溶液试剂盒由各种溶液组成，其dyne/cm值具有增量变化的特征，通常为30-70 dyne/cm。从低dyne值溶液开始，将样品擦拭到被测表面上，并记录溶液在基材上形成珠状所需的时间。通过增量测试来确定在应用后大约两秒钟内会产生珠状的溶液，并用该值表示基材的表面能。dyne值越高，基底的表面能就越大。
固化体系的主要类型有环境空气干燥、热能、紫外光能和电子束能。紫外光固化与“自干”或热能固化系统有很大的不同。其固化程度主要通过固化后涂层基质中交联低聚物链的残留或完全反应的双键数量来反映。
紫外光用于油墨和涂料的固化已有30多年的历史。着色涂料、透明面漆、着色油墨和透明涂覆清漆等，主导着紫外光固化涂料市场。我司已成功生产紫外线固化粉末涂料逾20年。紫外光固化粉末涂料可以替代溶剂液体涂料、热固性粉末涂料，是许多新材料和新产品感兴趣的涂料类型。大功率紫外灯是紫外光固化光能的主要来源。紫外弧光灯和紫外中压灯占据市场主导地位。在过去的五年里，灯具制造商引进了紫外LED灯，它增加了紫外光能的输出。紫外LED灯比弧光灯和中压灯消耗的能量要少得多，且不散发红外能，使用寿命更长，总运行成本也更低。
差示扫描量热法（DSC）是一种可靠、可重复测量涂料体系固化的方法。操作人员通常会使用甲乙酮或其他溶剂来进行测试，以评估固化效果。研究表明，用溶剂测试来评价固化效果具有主观性，会产生假阴性和假阳性结果。
紫外光固化液体和粉末涂料是具有化学光引发剂的光聚合材料，它通过紫外光照射后，吸收光的能量来产生交联反应（图5）。粉末涂料的紫外光固化，在固化之前要先进行熔融，熔化通常需要一到两分钟，而紫外光固化几乎是瞬间的。在考虑紫外光固化涂料时，需要平衡涂料体系的操作参数、工艺速度和涂料本身，以及紫外灯泡的光谱范围和光能输出。如果紫外灯的光谱输出与光引发剂的吸收波长不一致，或者灯的功率不足，则可能导致涂料无法被完全固化。
紫外光固化粉末涂料有许多优点：能耗低，生产占地面积小，生产率高。除了这些运营上的好处之外，紫外光固化粉末涂料还很健康、安全，可以满足法律法规的监管要求。涂料为100%固体，它们是不含溶剂和水的，也不需要生产和使用的许可证。图6说明了紫外光固化粉末涂料与热固性粉末涂料和液体涂料相比，在生产上的优势。每一栏都指的是材料应用和固化所需时间的总和。
紫外光固化粉末涂料与热固粉末涂料工艺类似。区别在于，树脂是紫外光固化涂料专用，以及使用了光引发剂作为固化催化剂。典型的树脂材料包括聚酯、环氧树脂、混合性树脂和聚氨酯等等。将添加剂和颜料以及光引发剂添加到树脂中，配方就完成了。热固化粉末涂料和紫外光固化粉末涂料之间的独特区别在于，UV固化涂料将熔化到固化阶段分成了一个较短的熔化阶段，和一个瞬间的紫外光固化阶段（图7）。
图8显示了紫外光到红外光（IR）的光谱；UVC、UVB和UVA是100到400 nm之间的三个紫外波段。紫外灯生产商将UVV命名为第四波段，在400至450nm之间。这个波段很重要，因为在这个波段产生的紫外光能可以像紫外光固化粉末涂料一样固化较厚的涂层。弧光灯和中压紫外灯的光能可涵盖所有的紫外波段，并能进入400nm以上的可见光。
根据紫外灯的类型，能量和强度将随紫外线波段的不同而产生变化。光引发剂可以吸收不同波长的紫外光。紫外光的发射波长必须与光引发剂的吸收波长相匹配，才能开始和完成涂料应用过程中的固化阶段。
紫外灯输出被描述为辐照度（峰值强度）。灯的功率(mW/cm2)以特定的距离进行测量。第二个是强度（能量强度，mJ/cm2），它是通过灯的光场到达被固化物体表面的功率。强度越大，固化涂层的紫外光能也就越大。随着距离和光线速度的变化，在物件表面接收到的紫外光能的强度也随之变化。紫外光越接近物件，固化涂层的光能强度也越高。了解固化条件会随灯的功率、距离和时间的变化而变化是很重要的。
表1显示了三种紫外灯的紫外线输出测量值：微波灯、弧光灯和紫外LED灯。距离和速度是恒定不变的，测量的波长不同。在395nm波长处读取了UV-LED 395的读数。
表2以dyne值（dyne/cm）描述了六种材料的表面张力；先是未经处理的参考品，随后为使用不同处理条件后的实验品。使用的等离子表面处理机为Nordson/MARCH AP-1500。除材料和气体外，其他条件保持不变，即a）在装置中的位置；b）以mTorr测量的处理装置的基本压力；c）以cc/分钟测量的气体流量；d）以瓦特测量的单位功率；e）以秒测量等离子体处理时间等。
试验材料为塑料和碳纤维复合材料，具体型号保密。未经处理的参考品证明，在表面预处理之前，其表面能都比较低。等离子体处理后，所有测试材料都具有更高的表面能，并可接受紫外光固化粉末涂料的涂施。
表3总结了五种材料在不同条件下进行等离子体处理，然后进行紫外光固化粉末涂料固化后的试验结果。测量了涂层的成膜性和附着力。第六种材料没有结果，它是本研究中另一种材料的复制品。结果表明，等离子体处理提高了塑料或复合材料表面的润湿性，提高了紫外光固化粉末涂料的附着力。
图9显示了在塑料和复合材料上进行和不进行等离子处理的涂层附着力的照片。表3中的数据和照片表明，将塑料和复合材料进行等离子体预处理，有助于提高紫外光固化粉末涂料的附着力。
塑料和复合材料由于其表面能较低、表面易污染和热敏性而难以被涂施。通过等离子处理，可以对塑料和复合材料进行清洁，并使其做好涂料涂施的准备。表面能的增加改善了涂层在基材上的附着力和涂料涂覆的有效性。研究结果表明，可以对塑料、复合材料等热敏性基材进行等离子体预处理，并可以成功地在基材上涂覆紫外光固化粉体涂料，而不会使基材产生退化或变形。紫外光固化粉末为100%的固体材料，不含溶剂和水，且耐用，当其被涂施在预处理好的基材上时，具有非常出色的附着力。
该文章的原始论文和数据于2019年在新奥尔良水性研讨会上发表。
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