丁苯橡胶具有良好的耐磨性、塑韧性,近年来在轨道车辆地板布的生产中得到越来越多的应用。然而,由于丁苯橡胶呈非极性,这一特性导致其表面润湿性和吸附性较差,当与胶粘剂结合时,界面粘接力和稳定性较低,不利于其在某些特定场景的工程化应用。因此,为了保证丁苯橡胶地板布在工程应用中的安全性与美观性,非常有必要在橡胶地板布边角密封等工序之前进行合适的表面处理,以提升其粘接性能。

目前,研究人员采用表面打磨处理、化学处理、激光处理以及等离子处理等表面预处理方法,通过提高表面润湿性或表面粗糙度,从而提升胶粘剂与基材之间的亲和力或机械咬合力。其中,打磨处理被证明是提升橡胶地板布粘接力较为有效的方式,然而打磨处理往往会造成地板布表面损伤从而影响美观;化学处理虽然也能通过活化表面提升表面活性,但存在造成环境污染的风险;激光处理能量较高,容易对橡胶基材造成灼伤,在橡胶类产品的表面改性中使用较少。目前,常压空气等离子体改性技术凭借无需真空操作、低温放电、成本低、处理效率高和对表面无损伤等特点,在高分子材料和复合材料等的表面改性中得到越来越多的关注。

鉴于此,本文以轨道车辆用丁苯橡胶为主体材料的地板布为研究对象,通过180°剥离试验对其粘接性能进行了研究,并与常压空气等离子表面改性试样进行对比。采用接触角测量仪分析表面润湿性、红外光谱仪测试表征表面官能团、扫描电子显微镜及原子力显微镜观察表面形貌、X射线光电子能谱仪进行表面元素和含碳官能团分析,系统分析了丁苯橡胶地板布表面粘接性能的影响机制,以期为丁苯橡胶地板布粘接工程化应用提供试验基础。

等离子表面处理

常压空气等离子体处理原理示意图如图1所示。在高频电场的作用下,使空气中的气体分子电离产生大量电子和离子。这些带电粒子在电场的作用下获得能量,并以一定速度轰击地板布表面轰击过程中可能与表面分子发生物理碰撞。此外自由基等活性离子也可能与表面活性键发生化学反应,从而产生对表面的活化。

结果与讨论

180°剥离测试分析

丁苯橡胶地板布等离子处理前后180°剥离测试特征曲线如图2所示：

图2 180°剥离测试特征曲线

由图2可知:原始地板布180°剥离强度仅为0.277N/mm,剥离断口形貌为界面黏附破坏。根据相关企业对于改性硅烷胶粘剂的使用要求以及地板布粘接密封界面的实际使用需要,剥离破坏形貌应≥95%内聚破坏,因此原始表面粘接不满足使用要求。等离子处理后,180°剥离强度提升为2.510N/mm(提升了806%),接头失效形貌也由界面黏附破坏转变为胶粘剂内聚破坏(如图3所示)。这说明等离子处理后,胶粘剂与地板布表面的界面结合力大于胶粘剂内聚力,因此在受剥离时优先从胶粘剂内部开裂。

图3 180°剥离试样破坏形貌

等离子处理对表面理化特性的影响

根据粘接界面理论,粘接表面的亲水性、表面形貌、表面元素及官能团种类与含量对粘接界面强度均具有重要影响。为了探究常压空气等离子处理对丁苯橡胶地板布粘接性能的影响机制,本研究对等离子处理前后试样表面的润湿性、表面元素和官能团组成及含量进行了测试分析。

等离子处理对接触角和表面自由能的影响

等离子处理前后丁苯橡胶地板布表面接触角测试情况如图4所示。

图4 等离子处理前后丁苯橡胶地板布表面接触角测试照片

由图4可知:未处理地板布表面水接触角为97.0°,乙二醇接触角为93.8°,表面呈疏水性;等离子处理后水接触角降低至45.0°,乙二醇接触角降低至8.3°,表面呈亲水特性。通过Owens-Wendt模型计算,得到表面自由能的变化如图5所示。

图5 等离子处理前后丁苯橡胶表面自由能变化

由图5可知:原始表面的表面自由能较低,等离子处理以后表面自由能总量增长249.3%,由15.2mJ/mm2增长至53.1mJ/mm2左右,其中极性分量由13.9mJ/mm2增长至38.1mJ/mm2。显然,等离子处理后总表面自由能的提升主要得益于极性分量γsgp的增加。水接触角的降低与表面能极性分量γsgp的增长有关。

等离子处理对表面元素和官能团的影响

等离子处理前后丁苯橡胶地板布表面FT-IR测 试曲线如图6所示

由图6可知:与原始表面相比,等离子处理后了苯橡胶地板布表面明显区别在于1719cm-处出现了明显的C一0吸收峰,C一0作为一种极性基团将有助于提升橡胶地板布表面的亲水性"。这说明等离子处理后,橡胶地板布表面的亲水性提高。

等离子处理前后丁苯橡胶地板布的表面元素测试结果如表2所示

由表2可知:等离子处理后材料表面0/C比例由3.1%增加至16.2%(如图10所示)。进一步对C1s的高分辨峰进行分峰拟合,结果如图7所示,主要包含以下几种含碳官能团:C—C/C—H(284.8eV),C—O—C(286.7eV)和C=O(289.6eV)。经过等离子处理后,含氧极性基团相对含量从3.6%提升至19.7%,这与FT-IR的测试结果相吻合。研究表明,表面极性含氧官能团(C—O、C=O)的提升对于改善表面润湿性具有重要作用。上述关于表面元素与官能团测试结果与接触角和表面能的变化趋势一致。

图7 不同表面处理下橡胶地板布表面C1s峰分峰拟合图

一般认为,粘接界面强度主要与胶粘剂、被粘表面之间的机械咬合力和化学键合力有关。表面润湿性的提升,使胶粘剂与被粘物之间在微观层面接触更加紧密,因此地板布表面与胶粘剂之间的范德华力会有效提升。此外,表面极性基团活性大,容易与胶粘剂中的活性基团反应,生成键能更高的共价键,从而提升粘接强度。

结语

(1) 采用常压空气等离子处理技术对丁苯橡胶地板布进行表面改性,利用接触角测量仪、FT-IR、XPS等检测手段对等离子处理前后表面理化特性的变化进行分析。采用改性硅烷密封胶分别对等离子改性前后的地板布表面进行粘接制样,结合粘接强度和失效形貌研究了等离子处理对丁苯橡胶地板布粘接性能的影响。

(2) 常压空气等离子处理后,丁苯橡胶地板布180°剥离强度提升了806%,接头失效形貌由界面黏附破坏转变为胶粘剂内聚破坏。等离子处理后,胶粘剂与地板布表面的界面结合力大于胶粘剂内聚力,因此在受剥离时优先从胶粘剂内部开裂。

(3) 常压空气等离子处理后,丁苯橡胶地板布表面润湿性明显提升,水接触角由97.0°降低至45.0°,表面自由能由15.2mJ/mm2增长至53.1mJ/mm2,其中表面自由能极性分量增加明显。

(4)常压空气等离子处理后,红外图谱出现了明显的C=O吸收峰。另外丁苯橡胶地板布表面O/C比例由3.1%增加至16.2%,表面极性含氧基团(C—O和C=O)相对含量由3.6%提升至19.7%,这是表面润湿性和180°剥离强度提升的主要原因。