Role of Hydrogen-Bonding and OH−π Interactions in the Adhesion of Epoxy Resin on Hydrophilic Surfaces

环氧树脂 氢键 粘附 吸附 密度泛函理论 胶粘剂 材料科学 分子 复合材料 聚合物 化学工程 化学 计算化学 图层(电子) 有机化学 工程类
作者
Shin Nakamura,Yuta Tsuji,Kazunari Yoshizawa
出处
期刊:ACS omega [American Chemical Society]
卷期号:5 (40): 26211-26219 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsomega.0c03798
摘要

Epoxy resin adhesives are widely used for joining metal alloys in various industrial fields. To elucidate the adhesion mechanism microscopically, we investigated the interfacial interactions of epoxy resin with hydroxylated silica (0 0 1) and γ-alumina (0 0 1) surfaces using periodic density functional theory calculations as well as density of states (DOS) and crystal orbital Hamilton population (COHP) analyses. To better understand the interfacial interactions, we employed and analyzed water and benzene molecules as hydrophilic and hydrophobic adsorbates, respectively. Structural features and calculated adhesion energies reveal that these small adsorbates have a higher affinity for the γ-alumina surface than that for the silica surface, while a fragmentary model for the epoxy resin exhibits a strong interaction with the silica surface. This discrepancy suggests that the structural features of the hydroxylated silica surface dictate its affinity to a specific species. Partial DOS and COHP curves provide evidence for the presence of OH-π interactions between the OH groups on the surfaces and the benzene rings of the epoxy resin fragments. The orbital interaction energies of the H-bonding and OH-π interactions evaluated from the integrated COHP indicate that the OH-π interaction is a nonnegligible origin of the adhesion interaction, even when polymers with hydrophobic benzene rings are adsorbed on hydroxylated surfaces.
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