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plasma等离子处理提高金属与塑料粘接性能的原理

Feb. 20, 2024

基材表面在粘接过程中起着重要的作用,可能是控制胶接接头质量的最重要因素。适当的预处理有时会赋予表面额外的属性,因此,在使用胶黏剂之前一般要进行表面处理,以达到最大机械强度。表面处理过程中最重要的一步是形成合适的表面化学组分,表面组分的完整性直接影响粘合剂的耐久度。表面处理中最常见的误解是,良好粘接的唯一要求是干净的表面。清洁的表面是粘接的必要条件,但不是粘接耐久度的充分条件。大多数结构胶黏剂的工作原理是在被粘物表面原子和构成胶黏剂的化合物之间形成化学键(主要是共价键,但也可能存在一些离子和相互作用力)。这些化学键是粘接物之间的载荷转移机制。大多数粘接失效可归因于制造过程中的不良工艺,其中最主要的缺陷就是是缺乏合适且高质量的表面处理工艺。

plasma等离子处理技术

等离子体又称电浆(plasma),1897年,Crookes将等离子体并列为固体、液体、气体的第四态物质,根据带电粒子温度的不同,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体又称热平衡等离子体,即电子温度和重离子温度都很高,一般要高于1000K,两者达到了热平衡,这种条件很难实现,仅存在于恒星与核聚变中,同时有机化合物和聚合物在高温条件下会被裂解,难于生成聚合物;低温等离子体又称非平衡等离子体,即电子温度远高于其他重粒子温度,两者没有达到热平衡,由于低温等离子体中电子温度和其他重粒子温度相差较大,且对于材料的改性一般仅作用于表面50nm左右,不会破坏基体材料本身的结构和性质,利于生产稳定的聚合物,因此,低温等离子体处理技术广泛应用于材料表面的改性,相较于传统的改性方式,低温等离子体处理技术是一种干式反应,不使用溶剂,避免了湿法工艺中产生的废料、废液对环境造成的二次污染,是一种高效、节能的绿色改性技术。

plasma等离子处理提高金属与塑料粘接性能的原理

根据界面粘接理论,塑料和金属之间的结合主要是两方面的作用:(1)界面形成机械啮合,例如当铜合金在发生一定程度的氧化,提高表面粗糙度降低浸润角,有利于增强粘接的机械啮合程度;(2)在界面形成更多的共价键,从而提升两者的粘接强度。在此理论基础上,有部分学者探索对材料表面进行预处理,从而提高塑料和金属之间的粘接强度。

在表面plasma等离子体处理中,离解惰性气体(例如氧气、氮气和氢气)并与基材表面发生反应导致表面产生羟基、羰基、羧基和过氧自由基等极性基团,进而改变其特性,例如润湿性、粘接性和附着力。等离子处理后引入了大量的极性官能团,使材料表面张力增加,提高了材料与胶黏剂之间的浸润性。胶黏剂在交联固化时,也可与表面新形成的活性位点反应,形成新的化学键,从而提高胶黏剂与材料之间的界面粘接强度。

其次在plasma等离子处理过程中会对材料表面产生刻蚀作用,等离子体中带电的电子、离子在电场力作用下快速轰击材料表面,其主要效果就是侵蚀基材表面,使得基材表面粗糙化来增加基材的表面积,从而使得基材的表面积也有了巨大的提高,在相同的情况下,基材与胶黏剂之间的接触面积也有了增加;其表面形成的不规则凹凸结构在与胶黏剂相互结合后,形成了类似于胶卯的机械互锁结构。在增加表面积和机械互锁结构的双重作用下,等离子处理后的金属与塑料粘接具有更强的剪切强度。

综上所述等离子体(plasma)是一种集合体,由负粒子和正粒子两相组合而成,正负粒子间带相反电荷,等离子体可通过离子流碰撞、中性粒子流以及辐射等方式将能量传递到材料基体,使得材料基体表面生成自由基或极性官能团,提高材料的表面能,从而使得胶黏剂对等离子体改性后的材料基体的粘接性能显著提高,从而改善塑料与金属之间的粘接性能。

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