硅橡胶等离子清洗提高粘接性能-Plasma

硅橡胶髙分子材料粘接特性受很多因素的影响,除了自身结构特性外,还受诸多外界因素的干扰。主要有以下几方面:(1)润湿能力差,由浸润理论,胶粘剂在硅橡胶表面润湿与否是粘接的前提条件。环氧液滴在硅橡胶表面接触角q越大,润湿能力越差,胶粘剂不能充分润湿难粘高分子材料表面,因而不能在其表面很好的粘附。(2)结晶度高,根据扩散理论,粘接的过程是通过胶粘剂分子链与硅橡胶高分子材料的分子链相互扩散,从而产生牢固胶接。而硅橡胶高分子材料因其在硫化交联的过程中加入一些添加剂使其结晶度高,化学稳定性好,在与胶粘剂粘接时,分子链不容易扩散,故而粘接力非常弱。(3)非极性高分子,硅橡胶髙分子材料大都是非极性或呈现弱极性,而环氧胶粘剂含有极性分子,依靠取向力和诱导力与被粘接基材形成分子间相互作用,对于弱极性的硅橡胶而言,分子间没有形成前两种分子力的条件,只有较弱的色散力,所以环氧胶粘剂与硅橡胶高分子材料的粘结性能较差。(4)弱边界层,主要包括硫化硅橡胶加工过程中所带入的杂质、加入的各种助剂(如稳定剂、润滑剂、抗氧剂、脱模剂等)以及运输过程中造成的污染等,这种弱边界层的存在大大降低了其与胶粘剂的粘接性能。

等离子清洗改性原理及工艺

等离子清洗技术可以在硅橡胶表面引入大量的活性基团,使其发生化学反应,形成强有力的粘接。等离子清洗改性原理如图1所示,气氛被射频、辉光及微波等放电装置作用产生电子激发成高能态并产生电离,即产生等离子体,是由激发态的分子、原子、离子和自由基团以及未被激发的气体原子所组成的混合体,高能粒子具有20eV以上的能量,并高于化学键的键能。高能粒子作用于硅橡胶表面,使表面化学键发生断裂、重组,并清洗掉影响粘接的弱界面层,达到弱极性硅橡胶表面改性的目的。

图1 硅橡胶等离子清洗原理示意图

等离子清洗工艺对硅橡胶表面浸润性能影响

环氧胶粘剂在橡胶材料表面的浸润与否影响橡胶粘接界面性能,通过对硅橡胶表面在去离子水、环氧树脂两种极性液滴下的接触角进行测量,研究等离子清洗对硅橡胶表面浸润性的影响规律,测量结果如图2所示。图2(a)为未经过处理的硅橡胶表面,可见其在去离子水和环氧树脂液滴下接触角均大于90°(左侧为水接触角,右侧为环氧树脂),表现为疏水性质,浸润性较差。如图2(b)示,经过等离子清洗后,硅橡胶表面接触角发生下降,材料表面在去离子水和环氧树脂下的接触角分别降至49.2°±1.1°和68.5°±0.1°,这是由于经等离子清洗后在材料表面引入极性基团,使表面浸润性能提高。

图2 等离子清洗前后硅橡胶表面浸润性能(a)原始(b)低温等离子

采用低温等离子体对硅橡胶表面清洗可以显著提高硅橡胶的粘接性能，经等离子清洗后,环氧胶粘剂在硅橡胶表面浸润性大幅提升。等离子清洗后胶粘剂可以充分浸润硅橡胶表面微结构,提高粘接表面积,使环氧胶粘剂与硅橡胶间机械互锁性能大幅提高。