丁腈橡胶表面等离子体处理改善亲水性和粘接性能

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-09-08

低温等离子体改性处理有较多优点，无污染、效率高，在室温下进行，反应条件温和，可控性强，可以处理复杂形状基底表面，且不改变基材的整体力学性能，特别适应于聚合物材料表面。

近年来，使用等离子体处理表面改性的研究还主要集中在材料的表面润湿性上。润湿性是指液体在固体表面的铺展能力，材料的表面润湿性是固体表面的重要特性之一，通过转变材料表面的亲疏水性能，可以实现材料表面的润滑、防水、自清洁的能力，从而提高现有材料的应用性能，拓展材料的应用领域。研究表明，等离子体处理可以在不改变材料整体性能的情况下，有效转变各类基材表面的亲疏水性能。

目前固体火箭、导弹等武器发动机中常用的绝热材料是由合成橡胶（如三元乙丙橡胶，丁腈橡胶）加入石棉等耐烧蚀组分制成，如三元乙丙和丁腈橡胶绝热层，也有用环氧树脂或酚醛树脂加入碳纤维或芳纶等材料制成，具有良好的隔热、耐烧蚀、抗冲刷等性能，保证发动机在高温高压下承受烧蚀、冲刷仍能长时间可靠工作，但是由于其表面缺少极性基团，化学性能不活泼，表面能低，从而导致其自粘性和互粘性很差，因此使用之前需要进行表面处理，提高其自粘性和互粘性。长期以来，对绝热层的表面处理主要是采用手工打磨的方法，但是这种方法需要使用有毒溶剂清洗，对环境和工人有危害，并且处理效果不稳定，对材料本身的机械强度损伤较大。所以开发新的处理技术来替代这种传统处理方法，对促进我国包覆领域的发展具有十分积极的作用。低温等离子体表面处理技术作为一种新型的绿色环保的改性处理方法，获得了迅速的发展，等离子处理不对材料本身的力学性能有任何损伤，不影响材料内部结构，在改善高分子材料的粘接性、亲水性等方面得到了广泛的应用。

丁腈橡胶表面等离子体处理表面润湿性变化趋势

表面的润湿性用表面接触角来衡量，表面接触角大于90°代表表面润湿性较差，表面疏水性较好；表面接触角小于90°代表表面容易润湿，亲水性较好。改性后水静态接触角的变化情况如图1所示，从图中可以直观的看出随等离子体处理时间的增加，接触角呈不断减小的变化趋势；处理2min后，接触角从原表面的92°迅速降到了53°附近，接着逐渐下降到处理8min的20°，当液滴滴到经10min处理后的表面时，液滴会迅速向各个方向扩散，很快能充分润湿橡胶表面，接触角低至13°，标志着疏水的橡胶表面经处理后已经变得非常亲水，这证明了空气等离子体处理确实可以显著改善丁腈橡胶的表面润湿行为，并且较短时间的处理（2min）就能够使表面的接触角大幅下降。下面分析改性橡胶表面接触角变化形成的原因。

不同时间等离子处理后丁腈橡胶的表面水接触角变化

等离子处理改性表面润湿性变化成因分析

一般认为，表面润湿性主要与表面的形貌与成分组成有关。但从分析结果来看，改性表面形貌的变化并不是影响润湿性变化的主要因素，有关表面润湿性的文策尔模型[97]（Wenzelmodel）与凯西模型（Cassiemodel）与试验结果均不相符，并且，随处理时间的增加，表面上一直减小的接触角与表面粗糙度先减小后增大的变化趋势也不匹配。许多研究人员认为等离子体可以促进改性表面亲水性基团的生成因而改善其润湿性，确实，同样的结论也适应于处理后的丁腈橡胶表面。图2为不同时间处理后橡胶表面上含氧官能团（C-O,C=O,O-C=O）含量的变化，可以清楚地看到，经过等离子体处理后，橡胶表面含氧基团的含量随着处理时间的延长而不断增加，这与表面接触角的变化趋势相匹配，表明了亲水性含氧官能团的生成在改性丁腈橡胶表面润湿性的变化中起着非常重要的作用。