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

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.

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

^* - 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.