等離子體處理對塑料等材料表面特性及膠接粘接性能的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-09-16

膠粘工藝中膠接表面的表面處理直接影響著被連接件的膠粘連接以及膠-鉚混合連接的接頭質(zhì)量。膠接表面處理的目的包括去除表面污染物、提高表面能來提高潤濕性以及化學(xué)鍵合力、提高表面粗糙度來提高機(jī)械咬合和與膠粘劑的接觸面積，以此來提高接頭性能。

膠接表面處理方式分類

(1) 機(jī)械工藝：打磨處理具有簡單易行、處理效果顯著的特點，通過機(jī)械打磨處理手段，可清除表面油污，同時提高膠接表面的粗糙度，增大接觸面積，增強(qiáng)機(jī)械互鎖作用，增加膠黏劑在表面的浸潤性，提高表面能，提高膠接強(qiáng)度，膠接接頭斷裂模式也從界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層破壞。但由于機(jī)械打磨處理對基材損傷很大，很多學(xué)者都認(rèn)為機(jī)械打磨處理會對膠接接頭有潛在不利影響。

(2) 化學(xué)工藝：通過酸、堿等處理，改變復(fù)合材料表面的官能團(tuán)以及元素比例，活化原本聚合在一起的碳長鏈，從而提高其表面活性，增加與膠黏劑的結(jié)合性，提高膠接強(qiáng)度。但由于處理過程及后續(xù)工序的化工排放等問題，在大規(guī)模生產(chǎn)中仍受到限制。

(3) 物理化學(xué)工藝：通過等離子、激光等特殊處理，可以同時改變復(fù)合材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)，包括表面粗糙度、官能團(tuán)、元素比例等，結(jié)合以上兩種方法提高膠接強(qiáng)度。該類方法不僅處理效果優(yōu)秀，而且工藝可控，無污染，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

等離子體處理技術(shù)：

等離子體處理技術(shù)是指通過等離子體中的高能粒子對表面進(jìn)行轟擊，使表面物質(zhì)降解，增加表面粗糙度，若等離子體中有其他活性粒子，如氧離子，則可與表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而使表面活化的一種方法。等離子處理技術(shù)可適用于纖維、塑料、橡膠以及復(fù)合材料的表面處理。

根據(jù)氣體類型的不同，等離子體中的粒子組成也不同，但這些粒子均由電子、正負(fù)離子、自由基和未被電離的分子、原子組成。在等離子處理物質(zhì)表面時，高能電子會首先轟擊物質(zhì)表面，使表面的化學(xué)鍵斷裂，并形成小分子而揮發(fā)。在化學(xué)鍵斷裂的同時，等離子體中的活性成分，如氧離子、自由基，可與表面因電子轟擊而斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合，殘留在表面而活化表面。因此通常經(jīng)等離子體處理后的表面，粗糙度會顯著增加，同時表面會留有活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)可在膠接時與膠黏劑發(fā)生化學(xué)鍵合，能顯著提高膠接強(qiáng)度。若產(chǎn)生等離子體的氣體中僅含有惰性成分，則只能生成一個粗糙的表面。

等離子體處理對表面官能團(tuán)的影響

表面官能團(tuán)的改變也是提高膠接接頭性能的重要原因。通過對等離子處理后復(fù)合材料表面的X-ray photo electron spectroscopy(下簡稱XPS)分析發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)過處理的表面相比，無論被處理材料的基體成分如何，處理后的表面羰基和碳酸鹽類的官能團(tuán)顯著提高，如圖1。這表明，通過含氧氣體的等離子處理后，膠接表面含氧活躍基團(tuán)的顯著增加，很可能是提高膠接接頭拉剪強(qiáng)度的重要因素。

不同等離子處理條件下XPS分析結(jié)果

等離子體處理對表面粗糙度的影響

從膠接機(jī)理分析，提高膠接表面的粗糙度可以有效得提高膠黏劑在復(fù)合材料表面的擴(kuò)散，提高兩者的接觸面積，進(jìn)而提高次價力、增強(qiáng)機(jī)械互鎖作用，提高膠接性能。隨著等離子處理強(qiáng)度的增加，表面粗糙度也增加，同時膠接接頭拉剪強(qiáng)度也隨之增加。

等離子處理前后表面形貌變化

等離子體處理是通過激發(fā)特定氣體使其達(dá)到等離子態(tài)后，對膠接表面進(jìn)行沖刷的過程。在這個過程中，由于氣體接收能量被激發(fā)到等離子態(tài)，產(chǎn)生大量相應(yīng)的自由基，這些自由基與復(fù)合材料的表面發(fā)生復(fù)雜的理化反應(yīng)，從而改變復(fù)合材料表面的狀態(tài)。當(dāng)膠接強(qiáng)度較低時，膠黏劑在表面的浸潤是阻礙強(qiáng)度提高的主要因素，此時增加接觸面積可以顯著提高膠接強(qiáng)度；當(dāng)膠接強(qiáng)度較高時，膠黏劑在基材表面已經(jīng)有了很好的潤濕，高粗糙度導(dǎo)致的機(jī)械互鎖作用可以強(qiáng)化膠接接頭，提高接頭強(qiáng)度。