表面处理提高复合材料的附着力

考虑到需要在保持结构强度的同时降低汽车重量，汽车工程师越来越多地将塑料和复合材料集成到他们的产品中。复合材料比钢和铝具有许多优点，包括优异的机械性能、重量轻、耐腐蚀和零件设计的灵活性。

有了这么多的塑料和复合材料，设计的可能性几乎是无穷无尽的。热塑性塑料，如聚丙烯、聚乙烯和聚酰胺，具有极好的耐腐蚀性和耐化学性。随着碳、玻璃或天然纤维的增强，热塑性塑料的抗拉强度可与钢相媲美，同时重量可减少75%。这些材料也可以被塑造成复杂的形状。汽车制造商正在使用这些材料来制造各种各样的部件，如车盖、造型组件、边框和护罩。

热固性塑料，如聚酯、乙烯基酯和环氧树脂，提供了许多与热塑性塑料相同的好处。轻重量和优良的机械性能使热固性成为车身面板、屏蔽和支撑的理想选择。这些复合材料也开始用于许多汽车的核心基础设施。这大大降低了车辆的总重量，同时保持了与钢和铝相同的安全标准。

与此同时，薄片模塑复合材料、树脂转移模塑复合材料和预浸渍复合纤维使汽车制造商能够在不影响强度的情况下在零件上创造复杂的曲线。

为什么表面处理?

结合复合材料可能是一项挑战，因为它们往往具有较低的表面能，而且它们的表面往往在纳米水平上是均匀的。

多种因素可以影响粘合剂与材料的粘结强度，包括表面污染物、表面结构和表面能。

清洁的表面对良好的粘接至关重要，这是提高粘接的最简单的方法。灰尘、油、脱模剂和其他污染物在材料和粘合剂之间形成屏障，降低了粘结强度。

材料的表面结构以多种方式影响粘结强度。纳米裂纹增加了键能，因为在纳米尺度上不均匀的材料比均匀的材料具有更高的势能。表面的微裂缝有效地增加了物体的表面积，允许在单位面积上有更多的粘合位点。

表面能被定义为物体边缘的多余能量，与主体材料的结合能相比。如果表面能小于成键能，则大块物质将被扬弃。当键形成时，多余的表面能转移到键上，导致更强的组装。有了足够高的表面能，就有可能将两种类似材料结合在一起，而无需热焊接或粘合剂，就像硅酮一样。

表面能不是一个标量单位。它既有极性部分也有非极性部分。粘接时，不仅要考虑材料的表面能，还要考虑材料和粘合剂的表面能的极性。高极性的水基粘合剂与非极性表面能的材料粘结的能力有限，如大多数热塑性塑料和热固性塑料。

治疗如何改善粘连

等离子体处理通过清洗、纳米和微蚀刻、添加高能官能团等方式增加表面附着力。

等离子体提高附着力最直接的方法是去除表面污染物。灰尘、油和其他污染物被等离子体汽化。等离子体处理比传统的清洁方法有一个优势，除了去除环境污染物，它还能去除形成在表面的杂质。这些杂质包括氧化物和添加剂，在成型后“开花”到材料的表面。虽然在散装材料本身有用，这些杂质往往有较低的粘结强度比材料或粘合剂。从表面去除这些杂质也可以形成纳米和微裂纹。这些裂缝增加了材料的表面能和用于粘结的可用表面积。

最后，等离子体处理将高能量官能团添加到材料的表面。官能团可以有极性或非极性能量。这些官能团增加了材料的表面能。

为了确定等离子体处理能在多大程度上帮助胶粘剂粘合，我们进行了在线大气吹离子等离子体(用压缩空气)和在线火焰等离子体(用高速钻孔口燃烧器)的实验。每一种技术都是众所周知的，可以提高各种材料的粘合性能。

我们实验的目的是测量各种材料在等离子体处理前后的表面能和结合强度。

我们测试了七种材料:五种热塑性塑料(聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、尼龙6和尼龙66)和两种热固性塑料(聚酯和环氧树脂)。所有样品在表面能测试前用丙酮擦拭三次。

当一滴液体被加到一个表面上时，它将基于液体的表面张力和基片的表面能停留在平衡状态。为了测量衬底的表面能，我们测量了衬底水平线和液滴接触衬底的边缘之间的角度。这个接触角与材料的表面能相对应，以每平方毫米的毫焦耳为单位。在接触角测试中，我们使用极性和非极性液体滴。

在初步测试后，样品以100 fpm的速度用等离子体处理，并重复表面能测试。然后，在每个样品上粘贴胶带，用剥离测试仪测量粘结强度。

等离子体与火焰处理

吹离子等离子体和火焰处理提高了所有测试材料的表面能，其中大部分增加在极性成分。处理提高了所有材料的剥离强度，除了聚苯乙烯。

火焰处理结果见表1。吹离子处理结果见表2。平均来说，吹离子处理比火焰处理增加了表面能的极性成分的120%，除了环氧树脂下降了20%。

吹离子等离子体可以使用压缩空气以外的其他气体。对一氧化碳做了进一步的测试₂和氮。剥皮试验结果表明，压缩空气与CO之间差异不大₂和氮，除了使用CO₂处理尼龙66，其剥离强度略有增加。

我们的试验表明，剥离强度和总表面能之间没有相关性。然而，试验结果表明，非极性表面能的变化与剥离强度的增加之间存在很强的正相关(0.82)。这不应该被解释为表明非极性表面能是成键时需要考虑的唯一因素。相反，它显示了剥离试验的局限性，并且在试验中使用的胶带大部分是非极性成分。具有较高极性成分的粘合剂极有可能从等离子体处理中产生更强的效果。