等離子表面處理樹脂基復合材料能夠提高其粘接強度

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-02-06

導言：經(jīng)過低溫等離子體處理后，樹脂基復合材料表面潤濕性、粗糙度以及表面含氧官能團數(shù)量增加，是粘接強度提高的主要因素。

樹脂基復合材料具有良好的工程性能，如比強度、比剛度高，耐久性強等，在汽車工業(yè)、海洋船舶工業(yè)、航空航天等領域中得到了廣泛的應用。隨著樹脂基復合材料的廣泛使用以及復合材料表面各種功能涂層的大量使用，對樹脂基復合材料的表面性能提出了更高的要求。由于樹脂基復合材料表面惰性強，潤濕性差，表面自由能低，導致其粘接強度或涂層附著力不高，通常在粘涂之前對樹脂基復合材料進行表面處理，提高其粘接強度。傳統(tǒng)的對樹脂基復合材料表面處理的方法主要是機械打磨法，該方法具有操作簡便、綠色無污染、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，但是其處理的質量難以控制，可能對復合材料基體或增強纖維造成損傷，且重現(xiàn)性差。

低溫等離子體中包含大量電子、離子、分子、激發(fā)態(tài)原子等活性粒子，具有激發(fā)溫度低、產(chǎn)生的活性粒子濃度高、操作簡便、效率高、無污染等優(yōu)點，被廣泛應用于材料表面處理等領域，且取得了一些相應的研究成果。低溫等離子體中具有大量高能活性粒子，可以使反應物分子產(chǎn)生激發(fā)、電離或斷鍵，在材料表面產(chǎn)生刻蝕、交聯(lián)或聚合等一系列的理化反應，在材料表面改性方面具有良好的應用前景。

利用大氣等離子表面處理機對樹脂基復合材料進行處理，以低溫等離子體處理后復合材料表面能大小，表面微觀形貌的變化，分析等離子處理對樹脂基復合材料粘接性能的影響。

接觸角與表面能
圖1為樹脂基復合材料處理前后水接觸角，可以看出經(jīng)過開放式低溫等離子體處理后，樹脂基復合材料表面的水接觸角明顯減小，潤濕性增加。處理前后試樣接觸角及表面能參數(shù)如表1所示，可以看出復合材料表面能從24.8mJ/m2增加到了78.3mJ/m2，提高了2.16倍；固相色散力增加了101.6%，固相極性力提高了607倍，可以看出經(jīng)過大氣低溫等離子表面處理機處理后樹脂基復合材料表面的色散分量和極性分量都有所增加，且極性分量的增加占據(jù)主導作用，遠遠大于色散分量的增幅。根據(jù)擴散理論，潤濕性增加有利于膠黏劑或涂層等粘接材料的擴散，對粘接強度的提高有促進作用。

圖1 復合材料處理前后表面水接觸角 (a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理

表一低溫等離子體處理前后復合材料表面參數(shù)變化

表面微觀形貌
利用掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡分析大氣低溫等離子體處理前后樹脂基復合材料表面的微觀形貌與表面粗糙度。圖2為處理前后復合材料的SEM圖，可以看出經(jīng)過開放式低溫等離子體處理后復合材料表面微觀形貌發(fā)生變化，未處理試樣表面較為光滑，處理后的試樣表面有些許的碳纖維裸露在表面，且碳纖維表面無損傷，如圖2(b)中紅色矩形框所示，試樣表面樹脂發(fā)生了刻蝕。圖2(b)SEM圖中試樣表面些許白色物質為材料制備時加入的增強物質，其成分為Ca元素，等離子體對試樣表面處理后，表層樹脂被汽化，增強物質未被汽化留在了試樣表面。采用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣處理前后的三維形貌如圖3所示，可以看出低溫等離子體處理后的試樣表面粗糙度明顯增加，通過粗糙度測量得到未處理時粗糙度為0.87μm，處理后試樣表面粗糙度為3.05μm，粗糙度增加了約2.5倍。根據(jù)機械結合理論，粗糙度的增加有利于增加粘接時膠黏劑與基體的粘接面積，有利于粘接強度的提高。

圖2 低溫等離子體處理前后復合材料表面 SEM 圖 (a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理

圖3 復合材料表面三維形貌圖 (a)未處理(b)低溫等離子體處理

本文由等離子清洗機廠家納恩科技整理編輯?。。〗?jīng)過大氣低溫等離子體處理后，樹脂基復合材料表面接觸角減小，潤濕性與表面能增加，樹脂基復合材料表面發(fā)生刻蝕，表面微觀形貌發(fā)生變化，表面粗糙度增加了約2.5倍，根據(jù)機械互鎖理論，粗糙度增加有利于粘接強度的提高。處理后的樹脂基復合材料試樣表面氧元素含量明顯增加，氧碳比提高了，且氧元素主要以含氧官能團存在，根據(jù)化學鍵理論，含氧活性基團數(shù)量增加有利于粘接時形成化學鍵，有利于粘接強度的提高。