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基于機械互鎖理論、化學鍵理論,研究學者發現基材表面改性可以改變材料結晶形態和表面形貌,增加基材表面粗糙度,增強涂層/基材界面的機械互鎖作用;改變表面的化學組成,增加材料表面極性、表面能,除去材料弱邊界層等,提高材料表面潤濕性,增強涂層/基材間的化學鍵合以及分子間作用力,從而提高涂層的附著性能。

基材表面處理方式可以簡單地分為機械處理、化學處理。常見的機械表面處理方式包括噴砂、打磨、磷化等。機械處理是針對基材表面進行的一種破壞性的加工方式,使基材表面粗糙度增加,增強涂層與基材的機械互鎖作用,從而達到增加附著力的目的。表面化學處理包括表面氧化法、表面接枝法、表面涂覆法等。其中表面氧化法主要包括:等離子體處理、酸氧化處理、火焰氧化處理等。

等離子體處理

等離子體處理主要是利用輝光放電、電暈放電等方式生成的等離子體處理基材表面,等離子體中的高活性粒子作用于基材表面,對基材表面產生刻蝕作用使基材表面形成自由基,活性粒子與自由基進行復合,從而使基材表面引人新的官能團或形成新的交聯結構。

研究者提出等離子體增強涂層粘附性能的三種機制:等離子體處理導致材料表面能增加,促進材料間的吸附作用;等離子體對材料表面的蝕刻作用促進材料界面的機械互鎖效應以及等離子體輻射材料表面產生的自由基與粘合劑之間的反應,產生化學鍵合增強材料間粘結強度。

PC材料表面等離子體處理對有機硅涂層附著力的影響

為探究基材等離子體處理對有機硅涂層與PC基底的結合力的影響,在涂層制備前對PC基底進行等離子體處理。等離子體處理步驟具體如下:將PC試樣放置于載物臺上,然后將載物臺水平放置在等離子體清洗機處理腔內。設定等離子體處理功率為180W,處理時間為150s,處理氣體為氧氣,等離子體處理完畢后,取出試樣,并在半小時內進行試樣涂覆。本實驗采用STC2200和STC2560兩種型號的有機硅溶膠,有機硅溶膠通過溶膠凝膠法制備。

如圖1所示,對STC2200、STC2560兩種有機硅涂層依據附著力測試標準ASTMD3359開展附著力劃格測試,測試后兩種涂層的劃格邊緣均未出現涂層脫落,可以判定兩種涂層的附著力均為5B。

圖1 PC/Silicone附著力測試后表面形貌 

上述劃格法只能定性測試兩種有機硅涂層的附著力,無法定量測試,因此另外對兩種涂層使用拉伸剪切法測試涂層附著力。拉伸剪切法是常用的膜基附著力測試方法,它的測試原理是將膜層通過拉伸機以機械剪切應力的方式從基底剝落下來,記錄涂層附著失效時的剪切應力,作為拉伸剪切下的涂層附著力強度。對PC/STC2200、PC/STC2560以及對PC基底等離子體處理后涂覆上述兩種涂層的試樣開展拉伸剪切測試。測試結果如圖2所示,PC/STC2200試樣的界面剪切強度為7.27MPa,PC/STC2560試樣的界面剪切強度為4.24MPa。可見STC2200涂層與PC基底的界面剪切強度大于STC2560與PC的界面剪切強度,這可能與STC2560涂層環氧基團交聯程度較高有關,以至于STC2560在受到表面拉伸剪切時,容易將剪切力通過相互交聯的有機分子網絡傳遞到膜基界面,進而導致涂層容易附著失效。

圖2 PC/Silicone:界面剪切強度

兩種涂層與經過等離子體處理后的PC基底的界面剪切強度分別為8.47MPa和6.12MPa,均大于未經過等離子體處理的,這表明適當的等離子體處理有助于提升有機硅涂層與基底的界面結合力,這是因為等離子處理PC,其表面生成-OH、-COOH,這些極性基團容易與涂層形成化學鍵合,進而提升膜基附著力。