粘接剂的表面处理:热固性与热塑性复合材料

当通过可靠的测试对它进行优化和验证时,等离子体是改变待结合材料表面化学成分的有效方法。

表面处理(涉及某种处理,研磨或清洁零件或材料表面的方法)对于获得成功的粘合,涂层甚至涂漆所需的性能至关重要。但是,对于某些材料,某些方法比其他方法更有效。

BTG Labs(美国俄亥俄州辛辛那提)  首席执行官兼首席科学家Giles Dillingham认为,用于粘结,涂层或密封的材料的表面处理需要完成三件事:

  1. 清洁:这意味着将表面上的有害污染物减少到达到粘合剂与表面紧密(分子水平)接触的水平。接触的任何障碍物都是污染物,必须通过多种清洁技术将其清除或减少到无威胁的水平。
  2. 活化:清洁的表面必须具有足够的化学活性,才能与粘合剂形成一级或二级化学键。具有化学惰性的清洁表面无法形成牢固和可靠的结构粘合所必需的化学键。
  3. 稳定性:当暴露在使用环境中时,表面必须具有抗降解能力(通常意味着氧化)。需要保持表面的清洁度和化学活性,直到发生实际的粘合或涂层操作为止。

Dillingham认为,表面处理这三个方面的相对重要性取决于所考虑的材料类别。例如,金属具有很高的表面能,这意味着表面具有很高的化学反应性并很快被污染。金属的表面处理着重于清洁和产生稳定的氧化物。对于复合材料,由于热固性和热塑性,需要采用不同的方法来成功进行粘合和涂覆聚合物具有相对较低的表面能,因此不像金属那样容易污染,并且在环境暴露期间相对稳定。但是,这些相同的特性使粘合剂不太可能粘附到复合材料上。结果,复合材料的表面处理通常集中在上面列出的第二个因素上:增加表面能,以便可以用粘合剂形成牢固的结合。

测定表面能

用于复合材料表面制备的手动研磨

手动磨损是复合材料表面处理的一种常用方法,但它可能无法有效地自行清洁表面。

尽管通常较低,但是表面能在不同的材料和复合部件中可能会发生变化,并且表面处理也会相应地发生变化。根据Dillingham的说法,快速,定量地测量物体或材料的表面能的能力是设计,实施或理解正确的表面处理的重要的第一步。

有几种方法可以测试表面能。BTG实验室经常使用的一种流行技术涉及测量由一滴液体在测试表面上形成的接触角。在这种方法中,如果液体在与表面接触时珠化,则表明它没有被吸引到表面上。同样,粘合剂或油漆也不会强烈吸附在该表面上,并且粘合性也很差。污染是表面以此方式排斥液滴的一种原因。

但是,如果液体容易散开而不是散布,则表明表面强烈吸引液体。这样的表面具有高化学能,并且通常将很好地粘附至粘合剂。Dillingham指出,表面活性剂(如肥皂)的污染也将导致液体在表面扩散,但表面活性剂诱导的润湿性可以通过液体扩散的速率轻易区分。

复合材料表面处理的水接触角测试

可以测量水接触角以指示表面的可粘合性。高接触角(当水滴成珠状时)通常表示表面清洁不充分,而低接触角(当水滴散开时)表示表面已正确清洁。

液滴与表面之间的角度(换句话说,就是接触角(请参见左图))为表面吸引液体提供了一个值。有几个因素决定了在给定表面上良好粘合的目标接触角应为多少,包括是否通过搭接剪切接头或双悬臂梁(DCB)评估粘合力。通常,低接触角(0度至〜30-40度)表示清洁的高能表面,可与粘合剂和油漆形成良好的附着力。高角度(60-90度或更大)表示通常难以粘结的低能量或受污染的表面。40-60度范围内的接触角不太清晰:

热固性塑料与热塑性塑料

热固性复合材料(例如环氧树脂,聚酰亚胺,双马来酰亚胺)和热塑性复合材料(例如PAEK,PEEK,PEKK和聚苯硫醚)具有不同的表面特性,并且需要不同的表面制备策略。

Dillingham说,在某些情况下,热固性树脂可受益于旨在提高复合材料表面化学反应性的表面覆膜。在去除剥离层之后,这些表面通常显示出在30度范围内的水接触角,并且通常是可粘结的。在聚合物表面特别不活泼的其他情况下,水接触角约为50-60度,可能需要进行表面处理才能获得良好的附着力。

在热固性复合材料上取得成功的另一种表面处理技术是手动或通过喷砂进行的磨蚀。根据Dillingham的说法,之所以可以进行磨损,是因为热固性基体树脂是脆性聚合物,在实际磨损时会通过断裂聚合物链以形成化学活性表面而在断裂时断裂。该表面可以与粘合剂反应形成坚固,稳定的界面。取决于热固性聚合物的化学组成,磨蚀可以使水接触角减小10度或更多,这对于良好的粘结是足够的。

复合表面清洁的粘结强度和接触角

用Solvay 377S薄膜粘合剂粘合的PEKK的搭接强度与接触角的关系

但是,热塑性聚合物的行为不同于热固性聚合物。Dillingham说,由于聚合物链不会通过交联而被锁定在刚性网络中,因此它们倾向于流动-换句话说,会发生塑性变形 -在磨损下而不是在断裂下。尽管磨损的热塑性复合材料可能很粗糙,但它在化学上仍然没有反应性,无法与粘合剂,涂料或密封剂建立良好的粘合。另外,这些表面上的水接触角通常不会随着磨损而明显改变。对于热塑性复合材料,等离子体处理可能是增加表面能的有效方法。上图显示了用Solvay 377S薄膜胶粘剂粘合的PEKK的搭接强度(垂直轴)与接触角(水平轴)的关系。根据数据,在这种情况下,溶剂擦拭,手部打磨和喷砂处理不会提高接头强度,而等离子处理会使强度提高> 30%。此外,经等离子体处理的样品在胶粘剂中内聚失败,

Dillingham总结说,在大多数结构材料之间都可以实现适用于结构目的的牢固可靠的粘合。但是,对于一类材料来说效果很好的表面处理可能不适用于另一类材料。在设计表面处理时,必须考虑到基材和粘合剂的特定化学特性。热塑性复合材料的大多数应用都需要比热固性复合材料增加表面能的处理,因此表面处理应区别对待。将表面处理与适当的测量和控制策略相结合,可确保表面处理有效且可靠。

赞(0) 打赏
未经允许不得转载:复材资讯网 » 粘接剂的表面处理:热固性与热塑性复合材料
分享到: 更多 (0)

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

微信扫一扫打赏