等離子處理技術(shù) —— 讓原本難以粘接的材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的粘合效果

膠粘劑粘接是使用合適的粘結(jié)劑將兩種不同的材料粘接在一起形成新的結(jié)構(gòu)的過程。在粘結(jié)劑固化過程中，接合界面處會發(fā)生多種物理化學(xué)作用，形成有效牢固的連接。影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素是界面的特性，即能否與分子之間形成強(qiáng)的結(jié)合力。

難粘高分子材料難粘的原因

難粘髙分子材料難粘受很多因素的影響除了自身結(jié)構(gòu)的影響之外，還受諸多外界因素的干擾。歸納起來主要受以下幾方面的影響：

（1）潤濕能力差

膠粘劑與粘接件的粘接過程主要是膠體在粘接件表面浸潤、固化。膠粘劑在被粘材料表面能夠良好的潤濕接觸是粘接的前提條件。液體在固體表面的潤濕程度可以用接觸角來衡量。水在難粘高分子材料表面的接觸角θ越大，潤濕能力越差，臨界表面張力越小，接著能越小，膠粘劑不能充分潤濕難粘高分子材料表面，因而不能在其表面很好的粘附，所以難粘高分子材料比較難粘。

（2）結(jié)晶度高

粘接高分子材料是在分子或鏈段的熱運(yùn)動下，膠粘劑的分子或鏈段與難粘高分子材料的分子或鏈段相互擴(kuò)散，使粘合面消失，形成過渡區(qū)，從而產(chǎn)生牢固膠接。難粘高分子材料結(jié)晶度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，與非結(jié)晶高分子材料相比，其溶脹和溶解比較困難。所以在與膠粘劑粘接時，分子鏈不容易擴(kuò)散，很難與膠粘劑分子相互纏結(jié)，粘結(jié)力非常弱。

（3）非極性高分子

難粘髙分子材料大都是非極性或極性很小的高分子材料，而膠粘劑粘接高分子材料主要依靠的是分子間作用力（包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力）。極性分子間會有取向力和誘導(dǎo)力作用，而對于難粘高分子材料，分子間沒有形成取向力和誘導(dǎo)力的條件，只有較弱的色散力，所以難粘高分子材料的粘結(jié)性能較差。

（4）存在弱的邊界層

弱的邊界層，即無定型層，來自聚合物加工過程中所帶入的雜質(zhì)、聚合物本身的低分子量成份、加入的各種助劑（如穩(wěn)定劑、潤滑劑、抗氧劑、脫模劑、增塑劑等）以及儲運(yùn)過程中所帶入的污染（如空氣中的沉降物等）等。這種弱邊界層的存在大大降低了其與膠粘劑的粘接強(qiáng)度。

粘接接頭的成功與否很大程度上取決于被粘物的表面處理，有效的表面預(yù)處理方式應(yīng)該可以去除表面上的所有污染物（例如灰塵，微生物，潤滑劑等），或者可以改變表面狀態(tài)，例如提高潤濕性，提高表面能并在表面引入官能團(tuán)，使膠粘劑充分流動、徹底鋪展；或者增加表面粗糙度，進(jìn)而增加粘接面積和機(jī)械互鎖；所有這些都有利于在粘合劑的分子與基底之間實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合。

難粘高分子材料等離子表面處理方法

目前，主要通過對難粘高分子材料進(jìn)行表面處理以及研究新型膠粘劑的方法來提高難粘高分子材料的粘接性能。針對難粘高分子材料難粘的因素，可以通過等離子表面處理方法來提高其表面極性、表面能、粗糙度以及消除材料表面的弱界面層，改善其粘結(jié)性能。

等離子體是由帶電的正粒子和負(fù)粒子組成的集合體，其能量可通過輻射、中性粒子流和離子流的碰撞等作用于材料表面，從而產(chǎn)生自由基或與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此改善材料的表面特性。

等離子處理提高粘接強(qiáng)度的機(jī)理：(A)表面清潔度的提升(B)極性基團(tuán)的產(chǎn)生(C)粗糙度的提高。

等離子體處理增強(qiáng)粘接強(qiáng)度示意圖

在等離子處理物質(zhì)表面時，高能電子會首先轟擊物質(zhì)表面，使表面的化學(xué)鍵斷裂，并形成小分子而揮發(fā)。在化學(xué)鍵斷裂的同時，等離子體中的活性成分，如氧離子、自由基，可與表面因電子轟擊而斷裂的化學(xué)鍵重新結(jié)合，殘留在表面而活化表面。因此通常經(jīng)等離子體處理后的表面，粗糙度會顯著增加， 等離子體對材料表面的蝕刻作用促進(jìn)材料界面的機(jī)械互鎖效應(yīng)，同時表面會留有活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)可在膠接時與膠黏劑發(fā)生化學(xué)鍵合，能顯著提高膠接強(qiáng)度。

等離子表面處理改善碳纖維（CFRP）/鋁合金粘接強(qiáng)度

等離子處理對粘接強(qiáng)度的提升測試實(shí)驗(yàn)

不同參數(shù)等離子體處理對鋁合金/ CFRP 粘接強(qiáng)度提升如下所示

不同參數(shù)等離子體處理對鋁合金/ CFRP斷面破壞實(shí)驗(yàn)

采用等離子體處理CFRP表面可顯著提高表面粘接強(qiáng)度。與未處理表面相比，等離子體處理所得表面粘接強(qiáng)度可提高約387.5％至26.96MPa，等離子處理所得表面粘接強(qiáng)度可提高約426.2%之29.1MPa，失效模式由未處理的界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚失效；

等離子表面處理方法操作簡單、對環(huán)境無污染，同時能夠在大幅度提高材料粘接性能的同時又不破壞基體材料的機(jī)械性能，是目前眾多改性方法中更受歡迎的一種，也是近年來發(fā)展比較迅速的方法。