Адгезия полимеров к неорганическим субстратам
Адгезия полимеров к стеклу
Стекло – аморфный субстрат. Он состоит в основном из оксида кремния – 71-73% и оксидов других металлов. В состав листового технического, оптического, щелочного и слабощелочного стекла для стекловолокон также входят оксиды одно-, двух-, трех-валентных металлов: K2O, Na2O, CaO, MgO, Fe2O3, Al2O3, As2O3, B2O3 (таблица 4.5).
Таблица 4.5 – Химический состав стекол
| Компо-ненты | Содержание компонентов, % | |||
| Листовое техническое стекло | Оптическое стекло | Слабощелочное стекло для стекловолокна | Щелочное стекло для стекловолокна | |
| SiO2 | 71,5-73,0 | 72,0 | 54,5 | 71,0 |
| Al2O3 | 1,0-2,0 | - | 13,5 | 3,0 |
| B2O3 | - | 8,5 | 9,9 | - |
| CaO | 6,5-8,0 | 1,6 | 16,1 | 8,5 |
| MgO | 3,0-4,3 | 0,5 | 4,3 | 2,5 |
| Na2O | 14,0-15,0 | 7,2 | 1,8 | 15,0 |
| SO3 | 0,3-0,5 | - | - | - |
| Fe2O3 | 0,2 | - | - | - |
| K2O | 2,0 | 10,5 | - | - |
| As2O3 | - | 0,2 | - | - |
С тетраэдрами кремния кислородной сетки связаны свободные гидроксильные группы. Кроме гидроксильной группы, на поверхности стекла находится слой адсорбированной влаги, толщиной примерно несколько сотен Å. Эта влага с трудом удаляется в вакууме при нагревании до 400-500°С.
Исходя из этого, следует предполагать, что высокой адгезией к стеклу обладают полимеры, содержащие гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные, изоцианатные и другие полимерные группы, способные к образованию водородных связей с поверхностными ОН-, а также к ион-дипольному взаимодействию, особенно, к химическому взаимодействию. Полимеры с гидроксильными группами реагируют с поверхностью стекла по схеме:
Si-(ОН) + R-(ОН) → Si -О-R+ Н2О
Полиизоционаты взаимодействуют с поверхностью стекла по схеме:
Si -(ОН) + O=C=NR → Si -O-C(=O)-NНR
С эпоксидными смолами гидроксилы стекла могут реагировать следующим образом:
Si -(ОН) + R( 
)→Si -O-CН2 - СН(ОН)R
Наибольшая адгезия к стеклу наблюдается у тех полимеров, которые способны вступать в химическое взаимодействие по указанным схемам. Это эпоксидные полимеры, их композиции с фенольными смолами, полиуретанами, полисульфидами, полиэфиракрилатами и другими. Таким образом, природа полимера является основным фактором при рассмотрении вопроса увеличения адгезии в системе эластомер-стекло.
| Природа полимера | Сопротивление отслаиванию, Г/см |
| НК | - 72 |
| Полиизобутилен П-118 | - 223 |
| Хлорсульфополиэтилен | - 390 |
| Полихлоропропен | - 1110 |
С целью повышения адгезии полимера к стеклу используют метод химической модификации поверхности стекла. В качестве модифицирующего агента часто применяют волан – это комплексное соединение смешанной соли метакриловой и соляной кислот и хромоксихлорида. При действии на стекло волана сначала происходит гидролиз под воздействием воды, связанной с поверхностью стекла. Затем продукт гидролиза взаимодействует с ОН- группами, находящимися на поверхности стекла и одновременно конденсируется. Благодаря наличию у привитого к стеклу волана двойной связи возможно взаимодействие модифицированного стекла с ненасыщенными группами полимеров.
При действии на силикатное стекло силанов тоже происходит химическое взаимодействие, в котором участвуют гидроксильные группы, находящиеся на поверхности стекла. В результате образуется силоксановый слой, химически связанный со стеклом.
Если радикал R – винил (СН2=СН-) или аллил (СН2-СН=СН2-), то адгезия к стеклу непредельных полиэфиров резко возрастает.
Эффективным способом повышения адгезии полимера к стеклу является нанесение на поверхность стекла, модифицированного производными силанов, полимера - дифункционального мономера, способного реагировать как с полимерами, так и с молекулами, привитыми на поверхность стекла. В качестве дифункционального мономера используются дивинилбензол, этилендиметакрилат и другие.
С целью снижения перенапряжения в стеклопластиках на границе раздела фаз поверхность стекла обрабатывают низкомолекулярными полимерами, содержащими кремний. Соединение -Si-O-Si- является очень прочным соединением, при модификации поверхности стекла кремнийорганическими жидкостями образуются пленки, имеющие хорошее сцепление со стеклом, но при этом снижается адгезия к полярным каучукам (таблица 4.6).
Таблица 4.6 – Влияние вида обработки поверхности силикатного стекла на адгезию к нему полиуретанового клея ПУ-2
| Вид обработки | Сопротивление отрыву, кГ/см2 | Характер разрушения |
| Без обработки | Когезионное | |
| После обработки: | ||
| Триметилхлорсилан | Адгезионное | |
| Диметилдихлорсилан | Адгезионное | |
| Метилтрихлорсилан* | Адгезионное |
* - при обработке стекла на его поверхности образуются полимеры в виде пленки.
Адгезия полимеров к стеклам, не содержащим оксидов кремния, например, фосфатному, боратному, кадмиевоборатному, очень низка.