等離子表面處理樹脂基復(fù)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(dǎo)言：經(jīng)過低溫等離子體處理后，樹脂基復(fù)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(fù)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(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著樹脂基復(fù)合材料的廣泛使用以及復(fù)合材料表面各種功能涂層的大量使用，對樹脂基復(fù)合材料的表面性能提出了更高的要求。由于樹脂基復(fù)合材料表面惰性強，潤濕性差，表面自由能低，導(dǎo)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(fù)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(fù)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(zhì)量難以控制，可能對復(fù)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(yīng)用于材料表面處理等領(lǐng)域，且取得了一些相應(yīng)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(yīng)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(yīng)，在材料表面改性方面具有良好的應(yīng)用前景。

利用大氣等離子表面處理機對樹脂基復(fù)合材料進行處理，以低溫等離子體處理后復(fù)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(fù)合材料粘接性能的影響。

接觸角與表面能
圖1為樹脂基復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(fù)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(fù)合材料表面的微觀形貌與表面粗糙度。圖2為處理前后復(fù)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(fù)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(zhì)為材料制備時加入的增強物質(zhì)，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(zhì)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(jié)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(fù)合材料表面 SEM 圖 (a) 未處理 (b) 低溫等離子體處理

圖3 復(fù)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(fù)合材料表面接觸角減小，潤濕性與表面能增加，樹脂基復(fù)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(fù)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(xué)鍵理論，含氧活性基團數(shù)量增加有利于粘接時形成化學(xué)鍵，有利于粘接強度的提高。