塑料之间（含与其他材料）黏接是塑件二次加工中必不可少的环节。聚合物之间（含与非金属或金属之间）黏接等都存在聚合物基料与不同材料之间界面黏接问题。黏接是不同材料界面间接触后相互作用的结果，靠分子间吸引力而黏接东西。被黏物与黏料的界面张力、表面自由能、界面间反应等都影响黏接。黏接不同于涂层和印刷，是综合性强，影响因素复杂的一类技术，目前行业界有吸附理论、化学键形成理论、弱界层理论、扩散理论、静电理论、机械作用力理论等从各个层面诠释黏接原理。

为达到良好的黏接，吸附理论有两个条件满足。一是黏接剂要能很好的润湿被黏物表面；液体黏接剂向被黏表面扩散，逐渐润湿被黏物表面并渗入表面微孔中，由点接触变成面接触。二是黏接剂与被黏物之间有较强的相互作用力；产生吸附作用形成次价键或主价键。从图1中看出，表面张力大，润湿能力差，表面张力小，润湿能力好。聚合物是表面张力小容易浸润黏合界面附着力好，表面张力大会让胶水呈蜡滴状圆球不扩散。

图1 表面张力与润湿性能关系示意图

在粘接过程中，润湿是一个至关重要的环节，它直接影响到粘接强度和粘接效果。润湿程度通常用接触角来表示，而杨氏方程则是描述接触角与界面张力之间关系的重要公式。

一、润湿与接触角

润湿是液体在固体表面铺展的现象，是液体分子与固体分子间相互作用的结果。在粘接过程中，良好的润湿意味着液体胶黏剂能够充分铺展在被粘接物的表面，形成紧密的接触。接触角是描述润湿程度的一个直观指标，它表示液滴在固体表面上形成的夹角。当接触角较小时，说明液体对固体的润湿性好；当接触角较大时，则润湿性差。

二、表面自由能基本理论

著名的杨氏方程描述了固-液-气三相接触的平衡。具体公式如下：

图1 固液气三相点

杨式方程是所有表面自由能的理论基础，它描述了空气、液体和固体相遇的三相接触点处的力的平衡。杨式方程如下：

γsv是固体表面自由能，γsl是固体和液体之间的界面张力，γlv是液体的表面张力，θy是接触角。当确定固体表面自由能时，需要知道或测量方程的右侧。表面张力和接触角很容易测量，但液体和固体之间的界面张力测试很难。

如果γs>γl，这个假设后来证明是真的。Good和Girifalco将方程转换为如下形式：

假定φ=1，这也是WORK理论的基础。

· Fowkes将相互作用分为不同的部分

将SFE分成单个组分的想法包括假设γsl由各种界面相互作用决定，这些相互作用取决于被测基材和测量液体的性质。Fowkes假设固体的表面自由能（和液体的表面张力）是与特定相互作用相关的独立组分的总和：

其中γsvd，γsvp，γsvh，γsvi和 γsvab 分别是色散、极性、氢、诱导、酸碱组分。γsvo是指所有剩余的相互作用。Fowkes主要研究含有仅出现相互作用的物质（固体或液体）的系统。根据Fowkes的说法，色散相互作用与伦敦力相互作用有关，由于电子偶极子波动引起。

· OWRK法用于计算表面自由能

Owen和Wendt延续了Fowkes的观点，指出方程右侧的所有分量，除了γsvd都可以被认为是极性的（γsvp）。将多组分方法与Good和Girifalco对界面张力的定义相结合，基于WORK理论的界面张力可以写成：

如果与杨氏方程相结合使用，称为OWRK的方程可以写成：

因为在方程中有两个未知数，γsvd和γsvp，所以需要两个具有已知色散和极性成分的液体。

· 液体的选择

一种液体需要选择主要为极性部分的液体，另一种液体选择主要为色散部分的液体。这是因为相互作用发生在相似的组分之间。如果我们只有色散部分，可能的极性相互作用将被忽视。

水、甘油和甲酰胺可以用作极性液体，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组合。水由于极性大和无毒的特性，广泛使用。色散部分选择比较复杂，大多数可用作色散部分的液体表面张力非常低，这导致对于大多数表面来说接触角为零。因此，需要更多特殊的液体。OWRK是SFE计算的最常用方法之一。

三、表面自由能计算模型

表1 表面自由能方法总结  

四、确定最优的聚丙烯等离子处理时间

聚丙烯样品通过经过空气等离子处理，时间为1到120秒。等离子系统运行条件为50W，100kHz，腔内压力为1.0torr。处理完成后，使用光学接触角仪测试探测液体（去离子水，乙二醇和二碘甲烷）的接触角。每个测试在等离子处理完后约2分钟测试。液滴设置为2微升。通过OWRK计算方法通过接触角确定聚丙烯的表面自由能。

图2 接触角随等离子处理时间的变化

测试-接触角

在图2中显示了每种探测液体的平均接触角随等离子处理时间的变化。在开始的几秒接触角有个猛烈的降低到了64°，但水的接触角在15秒后增加到了最大值。二碘甲烷的接触角也在处理时间4秒后慢慢增加，而乙二醇的接触角则在整个处理时间段基本保持不变。

图3显示了在等离子处理前和处理120秒后探测液体在聚丙烯表面的液滴图。

图3 探测液体的液滴图（水，二碘甲烷和乙二醇），在未处理和等离子处理120s后的聚丙烯表面

测试-表面自由能

 通过图3中的接触角，用OWRK方法确定聚丙烯的表面自由能（γtot）。总表面自由能，即极性和色散表面自由能与等离子处理时间的关系在图3中。开始时γtot=24.2 mJ/m2但在处理3秒后增加到46.8 mJ/m2。表面自由能在15秒时降到最低值，而随后升高到大约40 mJ/m2。

表面自由能中色散分量特别是极性部分也非常依赖于处理时间。开始时γp~0因为聚丙烯基本是色散的。经过很短时间的离子暴露，γp增加到 12 mJ/m2而 γd 也增加到 35 mJ/m2。而15秒后，极性分量降低显著，与总的表面自由能γtot降低一致，亲水性降低。在处理时间大于15秒后，γp 逐渐升高而 γd 略微降低。