复合板材等离子处理提高粘接性能-plasma

在热塑性复合材料的胶接中,表面处理对热塑性复合材料结构件的胶接性能影响很大。等离子体处理的基本原理是利用高压电离气体,激发出电子、原子、分子和自由基,在高压下产生的射流,实现对材料的表面处理。空气电离过程中,大量的活性颗粒被喷射到材料表面,会使其发生清洗、刻蚀、表面活化和交联等改变,并在材料表面生成高能极性基团,与引入的自由基形成新的官能团,从而极大地改善材料的浸润性和粘附性,增加其表面能并提升其结合强度。等离子体处理简单环保高效,在粘结表面预处理方面已得到广泛应用。

复合板材等离子处理前后接触角的变化

在使用等离子处理复材板表面仅10S后,利用接触角测量仪测试复材板表面接触角的大小。但在测试过程中发现,经过等离子处理后的复材板,表面张力有了巨大的提升。以至于在去离子水的液滴接触到复材板表面时,液滴被迅速的铺展开(如图1-1A),且部分液滴仍残留在盛装去离子水的注射器针头部位(如图1-1B),并且在复材板上几乎检测不到液滴接触角的存在,此时液滴的体积为2μL。出现这种现象的原因是:复材板经过等离子处理后,表面张力大幅提高,液滴在接触到复材板表面时,复材板巨大的表面张力有将液滴在复材板铺展开的趋势。此时,复材板对液滴有一个向下的拉力,加上液滴自身的重力,已经大于液滴自身的黏性和注射器针头对液滴向上的表面张力之和。液滴则被向下拉扯,但由于液滴自身的黏性小于复材板和针头对液滴的拉力,故液滴从中间断开,一部分在复材板上铺展开,另一部分残留在针头上。在将液滴的体积改为1μL后,此种现象有了改善,但在测试时,由于液滴体积减小,液滴在复材板表面铺展开以后,更加难以测量液滴与复材板之间的接触角。

图1-14A:等离子处理后测试接触角的复材板;B:部分液滴残留在注射器针头部位

X光电子能谱分析(XPS)

利用XPS表征了等离子处理对复材板表面化学环境的影响。图2-1和图2-2分别是等离子处理前后的碳和氧的1s轨道能谱,从能谱中可以看到,经过等离子处理后,表面形成了新的-C-O、O-C=O、C-COO等含氧基团和C-NH4+、-O-N等含氮的极性基团。增加了复材板表面极性组分,从而提高了表面张力,表现为接触角大幅降低。

图2-1 等离子处理前后的C1s轨道能谱;处理前(左);处理后(右)

图2-2 等离子处理前后的N1s轨道能谱;处理前(左);处理后(右)

从XPS的分析结果可以得出结论,等离子处理后引入了大量的极性官能团,使复材板表面张力增加,提高了复材板与胶黏剂之间的浸润性。环氧胶黏剂在交联固化时,也可与表面新形成的活性位点反应,形成新的化学键,从而提高胶黏剂与复材板之间的界面粘接强度。

结合等离子体表面处理的胶接结构的力学性能

如图3-1是复材板表面结合不同等离子体处理时间,胶接结构剪切强度的变化。观察到,在结合等离子体处理前后,剪切强度有了一定的提升。并且,在0-90s内,剪切强度随着等离子处理时间的增加而增加,等离子处理90s时,剪切强度达到了33.4Mpa,在90s以后,随等离子体处理时间的延长,剪切强度没有明显的变化,剪切强度都超过了30MPa。所有试样中,最大剪切强度达到35.2Mpa。

图3-1 不同等离子处理时间的剪切强度

由于粘贴了胶黏剂后的胶接结构都是在同一固化工艺下进行固化,因此,仅有胶黏剂与复材板之间的界面粘接性能发生了改变。而从图中剪切强度的变化可知,等离子处理可以提高胶黏剂与复材板的界面粘接性能,但随着等离子体处理增加到一定时间后,剪切性能不再提高,说明此时复材板与胶黏剂之间的粘接性能不再随等离子处理时间的增加而提高,或者复材板与胶黏剂之间的界面粘接不再是胶接结构中的薄弱点。

等离子处理可大幅提高材料的表面张力,且能保持数个小时而不下降。等离子处理后,复材板表面会形成一些含氮,含氧的极性基团,增加表面的极性组分,从而改善了胶黏剂在材料表面的浸润性,使胶黏剂与复合板材间的界面粘接强度提高。