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：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：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鍵合力、提高表面粗糙度來提高機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，增強機械互鎖作用，增加膠黏劑在表面的浸潤性，提高表面能，提高膠接強度，膠接接頭斷裂模式也從界面破壞轉變為膠層破壞。但由于機械打磨處理對基材損傷很大，很多學者都認為機械打磨處理會對膠接接頭有潛在不利影響。

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

(3) 物理化學工藝：通過等離子、激光等特殊處理，可以同時改變復合材料表面的物理化學性質，包括表面粗糙度、官能團、元素比例等，結合以上兩種方法提高膠接強度。該類方法不僅處理效果優秀，而且工藝可控，無污染，具有良好的工業應用前景。

等離子體處理技術：

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

根據氣體類型的不同，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。在等離子處理物質表面時，高能電子會首先轟擊物質表面，使表面的化學鍵斷裂，并形成小分子而揮發。在化學鍵斷裂的同時，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鍵重新結合，殘留在表面而活化表面。因此通常經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，這些活性基團可在膠接時與膠黏劑發生化學鍵合，能顯著提高膠接強度。若產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的影響

表面官能團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合材料表面的X-ray photo electron spectroscopy(下簡稱XPS)分析發現，與未經過處理的表面相比，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的顯著增加，很可能是提高膠接接頭拉剪強度的重要因素。

不同等離子處理條件下XPS分析結果

等離子體處理對表面粗糙度的影響

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

等離子處理前后表面形貌變化

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