等离子体处理对塑料等材料表面特性及胶接粘接性能的影响

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：2022-09-16

胶粘工艺中胶接表面的表面处理直接影响着被连接件的胶粘连接以及胶-铆混合连接的接头质量。胶接表面处理的目的包括去除表面污染物、提高表面能来提高润湿性以及化学键合力、提高表面粗糙度来提高机械咬合和与胶粘剂的接触面积，以此来提高接头性能。

胶接表面处理方式分类

(1) 机械工艺：打磨处理具有简单易行、处理效果显著的特点，通过机械打磨处理手段，可清除表面油污，同时提高胶接表面的粗糙度，增大接触面积，增强机械互锁作用，增加胶黏剂在表面的浸润性，提高表面能，提高胶接强度，胶接接头断裂模式也从界面破坏转变为胶层破坏。但由于机械打磨处理对基材损伤很大，很多学者都认为机械打磨处理会对胶接接头有潜在不利影响。

(2) 化学工艺：通过酸、碱等处理，改变复合材料表面的官能团以及元素比例，活化原本聚合在一起的碳长链，从而提高其表面活性，增加与胶黏剂的结合性，提高胶接强度。但由于处理过程及后续工序的化工排放等问题，在大规模生产中仍受到限制。

(3) 物理化学工艺：通过等离子、激光等特殊处理，可以同时改变复合材料表面的物理化学性质，包括表面粗糙度、官能团、元素比例等，结合以上两种方法提高胶接强度。该类方法不仅处理效果优秀，而且工艺可控，无污染，具有良好的工业应用前景。

等离子体处理技术：

等离子体处理技术是指通过等离子体中的高能粒子对表面进行轰击，使表面物质降解，增加表面粗糙度，若等离子体中有其他活性粒子，如氧离子，则可与表面物质发生反应而使表面活化的一种方法。等离子处理技术可适用于纤维、塑料、橡胶以及复合材料的表面处理。

根据气体类型的不同，等离子体中的粒子组成也不同，但这些粒子均由电子、正负离子、自由基和未被电离的分子、原子组成。在等离子处理物质表面时，高能电子会首先轰击物质表面，使表面的化学键断裂，并形成小分子而挥发。在化学键断裂的同时，等离子体中的活性成分，如氧离子、自由基，可与表面因电子轰击而断裂的化学键重新结合，残留在表面而活化表面。因此通常经等离子体处理后的表面，粗糙度会显著增加，同时表面会留有活性基团，这些活性基团可在胶接时与胶黏剂发生化学键合，能显著提高胶接强度。若产生等离子体的气体中仅含有惰性成分，则只能生成一个粗糙的表面。

等离子体处理对表面官能团的影响

表面官能团的改变也是提高胶接接头性能的重要原因。通过对等离子处理后复合材料表面的X-ray photo electron spectroscopy(下简称XPS)分析发现，与未经过处理的表面相比，无论被处理材料的基体成分如何，处理后的表面羰基和碳酸盐类的官能团显著提高，如图1。这表明，通过含氧气体的等离子处理后，胶接表面含氧活跃基团的显著增加，很可能是提高胶接接头拉剪强度的重要因素。

不同等离子处理条件下XPS分析结果

等离子体处理对表面粗糙度的影响

从胶接机理分析，提高胶接表面的粗糙度可以有效得提高胶黏剂在复合材料表面的扩散，提高两者的接触面积，进而提高次价力、增强机械互锁作用，提高胶接性能。随着等离子处理强度的增加，表面粗糙度也增加，同时胶接接头拉剪强度也随之增加。

等离子处理前后表面形貌变化

等离子体处理是通过激发特定气体使其达到等离子态后，对胶接表面进行冲刷的过程。在这个过程中，由于气体接收能量被激发到等离子态，产生大量相应的自由基，这些自由基与复合材料的表面发生复杂的理化反应，从而改变复合材料表面的状态。当胶接强度较低时，胶黏剂在表面的浸润是阻碍强度提高的主要因素，此时增加接触面积可以显著提高胶接强度；当胶接强度较高时，胶黏剂在基材表面已经有了很好的润湿，高粗糙度导致的机械互锁作用可以强化胶接接头，提高接头强度。