等離子表面處理對橡膠表面親水粘接性能的影響

文章出處：本站 | 網站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-04-16

橡膠是一種常見彈性高分子材料，具有優秀的機械性能，以及耐高溫、耐油、耐腐蝕的特點，廣泛應用于減振結構中。但橡膠因其表面能低、接觸角大，粘接劑無法浸潤，并存在弱邊界層，造成其粘接困難，粘接強度低，影響了橡膠的使用范圍。針對這種問題，工程上一般采用化學改性、機械改性和等離子體處理等方法進行表面處理，改變橡膠的表面形貌、物理結構、化學性能等，改善其粘接性能。等離子體處理是一種優秀的表面改性方法，廣泛應用于各種材料的表面改性。其通過含有帶電的正粒子和負粒子氣體噴射被粘接面，其能量可通過輻射、中性粒子流和離子流的碰撞作用于被粘接面，從而產生自由基或與材料表面發生化學反應，同時，薄膜表面會發生刻蝕、聚合、交聯等物理和化學變化。等離子體改性只對材料表面（通常從幾至幾百納米）進行改性，并不影響材料本身的基體性能。

我們采用Ar、O2、空氣3種氣氛等離子處理橡膠試樣表面，在相同處理功率和處理壓強的條件下，改變處理時間，測試試樣表面的靜態接觸角，表面能。圖1是不同處理氣氛下處理時間與橡膠表面接觸角、表面能的關系。

等離子處理氣氛與橡膠表面性能之間的關系

由圖1可知，在一定功率及壓強條件下，隨著處理時間的增加，3種氣氛LTP處理均可有效降低橡膠試樣表面靜態接觸角，提高表面能，繼續延長處理時間，接觸角、表面能的變化趨勢平緩，進一步延長處理時間，接觸角小幅上升、表面能略有減小，說明等離子表面處理時間并不是越長越好，而是有相對理想的參數。這是因為低溫等離子處理達到一定時間后，等離子體在材料表面引發的表面活性濃度趨于飽和，由于材料表面遵循能量平衡定律，部分表面活性基團會自發向能量較低的基體翻轉，因此，材料表面能的提高是有限度的。

由圖1可以看出：在相同的處理功率和氣體壓強下，Ar氣氛處理對改善橡膠表面接觸角和表面能的效果最明顯，且空氣氣氛處理效果比O2氣氛好。這是因為Ar是非聚合非反應性氣體，其等離子體不能直接結合到橡膠材料表面的大分子鏈上，但這些高能等離子體轟擊橡膠表面時會引發橡膠表面生成新的活性基團，這些活性基團會導致材料表面自由能和模量發生改變，且在材料表面形成致密的交聯層。因此，Ar非聚合非反應性氣體在改性材料表面時，主要產生交聯、刻蝕、氧化3種作用。O2氣氛與含氧氣氛是非聚合性反應性氣體，等離子體可直接通過輝光放電電離成自由基直接作用在材料表面，并進一步氧化生成含O的活性基團，這些活性基團在離開等離子體環境后一部分與空氣中的O結合生成含氧基團(—CO—、—COO—、—OH—)，一部分由于發生相互作用從而使表面自由基濃度下降。而空氣氣氛中含有N2等非反應性氣氛，這些氣氛對材料表面改性的起到一定刻蝕效果。非聚合性反應性氣體主要是通過氧化、刻蝕2種作用對材料表面進行改性的。

高分子材料的使用價值與其表面的形態、組成、結構緊密相關。在接觸介質時，材料總是通過表面與環境相互作用，在介質中的材料性能變化也是從表面開始的。在實際應用中，聚合物表面存在大量的表面和界面問題，例如有弱邊界層、表面能低、表面污染等影響粘接、染色，而等離子體表面改性作為一種干式處理工藝，效率高、對環境無污染且能對材料表面改性的同時不影響到材料的本體性質，通過等離子表面處理技術改性橡膠表面,等離子處理改善了橡膠表面的化學結構，經過等離子處理的橡膠表面的親水性明顯提高,而且橡膠試樣與密封材料的黏結強度顯著提高。