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鋁箔玻纖復合織物是以玻璃纖維(本文簡稱“玻纖”)織物為基布,表面復合鋁箔的熱防護材料,具有優(yōu)良的熱防護性能,廣泛用于消防戰(zhàn)斗服、森林避火罩等裝備。但是一方面,鋁箔表面較為光滑、缺乏活性基團,與黏結(jié)劑之間的結(jié)合力較差,導致鋁箔玻纖復合織物剝離強度較弱,重復使用后易出現(xiàn)剝離的情況,大幅降低復合織物的熱防護性能,危害穿戴者的生命安全。另一方面,鋁箔和黏結(jié)劑復合后致密性不夠好,不利于熱防護性能的提升

等離子體是一種常用的材料表面改性技術(shù),通過刻蝕作用可改善材料粗糙度、提高接觸面積,還可以提高材料的表面活性。本文采用等離子體處理技術(shù)對鋁箔進行表面改性,研究等離子體處理時間、處理功率、2個關(guān)鍵因素對于鋁箔表面接觸角、剝離強力的影響,并對改性前后鋁箔表觀形貌進行了對比研究。

等離子體處理工藝對接觸角與剝離強力的影響

測試及表征

接觸角測試:采用接觸角測量儀對等離子體處理過的鋁箔進行接觸角測試,使用水性有機硅樹脂為試劑。

剝離強力測試:參照GB/T2792—2014《膠粘帶剝離強度的試驗方法》,采用電子織物強力機對雙層玻纖/鋁箔復合織物開展剝離性能測試。制作20cm×20cm規(guī)格的雙層玻纖織物夾鋁箔試樣(即2塊玻纖織物中間為1塊鋁箔,用膠黏劑黏合),將制成的試樣烘干固化后再裁剪成25mm寬度的條狀布。鋁箔玻纖織物復合面料的剝離性能測試試樣如圖1所示。

圖1 鋁箔玻纖復合織物剝離強力測試樣

等離子處理時間對接觸角與剝離強力的影響

在處理功率為300W、噴頭高度為3mm時,分析等離子體處理時間為0、100、200、300、400s的工藝條件下對鋁箔玻纖復合織物接觸角和剝離強力的影響,結(jié)果分別見圖2、3。由圖2可知,未經(jīng)處理的鋁箔表面接觸角為61.4°,經(jīng)等離子體處理后,接觸角隨處理時間延長呈現(xiàn)顯著下降:處理時間由100s增至400s時,接觸角從40.5°逐步降至19.8°,說明等離子體處理能有效改善鋁箔表面與膠黏劑的親和性。這可能是因為等離子體處理會增加鋁箔表面的粗糙程度,促使接觸面積增大,接觸角變小。

圖2 等離子體處理時間對鋁箔表面接觸角的影響

圖3 等離子體處理時間對剝離強力的影響

由圖3可知,未經(jīng)處理試樣的剝離強力為7.2N,經(jīng)100~400s處理后其值分別提升至9.5、10.6、11.7和11.9N,說明鋁箔與膠黏劑之間的親和性變好,這有利于二者之間黏結(jié)強度的提升;當處理超過300s后,剝離強力增幅較小,這可能由于表面過度刻蝕導致微觀結(jié)構(gòu)均質(zhì)化。

等離子處理功率對接觸角與剝離強力的影響

在處理時間為300s、噴頭高度為3mm時,分析等離子體處理功率為100、200、300、400、500W的工藝條件下對鋁箔玻纖復合織物接觸角和剝離強力的影響,結(jié)果分別見圖4、5。由圖4可知,鋁箔接觸角隨等離子體處理功率的增大呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢。當處理功率從100W增至300W時,接觸角由52.6°顯著降低至20.6°;而當功率繼續(xù)提升至500W時,接觸角反而回升至47.5°。這可能是因為是當功率小于300W時,隨著等離子體處理功率的逐步增大,在鋁箔表面形成刻蝕,使得粗糙度增大，接觸角變小;當處理功率大于300W后,在較大功率下鋁膜表面可能發(fā)生熔融,將原有的刻蝕痕跡平坦化,導致粗糙度下降。在300W處理功率下接觸角達到極小值,表現(xiàn)出最優(yōu)的親水特性。

圖4 等離子體處理功率對接觸角的影響

圖5 等離子體處理功率對剝離強力的影響

由圖5可知,鋁箔玻纖復合織物的剝離強力隨等離子體處理功率的增大呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢。當處理功率從100W遞增至300W時,剝離強力由7.8N顯著提升至11.7N;而當功率繼續(xù)增大至500W時,剝離強力反而回落至8.3N。這可能是因為當?shù)入x子體處理功率處于300W以下時,隨著功率的逐步提升,鋁箔表面會因等離子體刻蝕作用產(chǎn)生更多溝壑,表面粗糙度增大,接觸角變小,與膠黏劑的接觸面積增大,所以剝離強力也隨之增大。然而當功率超過300W后,高能等離子體會引發(fā)鋁膜表層材料的熔融現(xiàn)象,使得先前形成的刻蝕結(jié)構(gòu)趨于平滑,最終導致表面粗糙度降低,與膠黏劑的接觸面積逐漸減小,導致剝離強力也隨之減小。

鋁箔表面形貌對比分析

圖6示出等離子體處理前后的鋁箔的SEM照片。未經(jīng)等離子體處理的鋁箔表面較為平整,這也是導致鋁箔玻纖復合織物剝離強力不足的主要原因。相比之下,經(jīng)過等離子體處理的鋁箔表面形成了眾多微米級溝槽,一方面使得其與樹脂之間的界面接觸面積變大,一方面使得鋁箔表面樹脂接觸角變小,從而促使鋁箔-玻纖織物黏結(jié)的更加緊密,黏結(jié)強度提升,進而增強了鋁箔玻纖織物的剝離強力。

圖6 鋁箔SEM照片(×5 000)

經(jīng)等離子體處理后,鋁箔表面水性有機硅樹脂接觸角降至19.3°,復合織物剝離強度提高至12.1N,該工藝顯著增強了鋁箔與玻璃纖維的界面粘接性能。