汽車用纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料等離子體表面處理提高環(huán)氧涂層附著力

Jan. 16, 2025

聚乙烯、聚丙烯等高分子鏈為非極性結(jié)構(gòu),并且不含極性基團(tuán),使得此類材料表面能較低,有機(jī)涂層在其上的附著力較小。為了改善有機(jī)涂層在這類基材上的附著力,通常在涂漆前對(duì)材料表面進(jìn)行處理。

等離子體是部分電離的氣體,由電子、離子(正、負(fù)離子數(shù)相等)、自由基以及原子、分子等高能中性粒子組成。以等離子體處理高分子材料表面,可使分子鏈發(fā)生交聯(lián)、斷裂、氧化等反應(yīng),可引入極性基團(tuán),改善材料表面潤濕性和粘結(jié)性。等離子體表面處理由于其高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為表面處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)

為了解決有機(jī)涂層在汽車用纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料上附著力不高的問題,采用常溫空氣等離子體處理基材表面以提高附著力。

常壓空氣等離子體表面處理

對(duì)將經(jīng)清洗烘干過的復(fù)合材料進(jìn)行等離子體表面處理。將等離子噴槍高度固定為20mm,噴槍移動(dòng)速度固定為100mm/s,改變等離子處理的次數(shù)和功率,測(cè)試復(fù)合材料表面水接觸角、表面形貌、表面粗糙度的變化,并觀察等離子表面處理后復(fù)合材料表面水接觸角隨時(shí)間的變化(時(shí)效性)。在每個(gè)參數(shù)下處理3個(gè)平行試樣,試板大小為50mm×25mm×3mm。

等離子體表面處理前后復(fù)合材料表面形貌的變化

等離子體表面處理前后復(fù)合材料的表面形貌如圖1所示,放大倍數(shù)為200倍。其中,1次100%是指在材料表面等離子體處理次數(shù)為1次,處理功率為最大功率的100%,以此類推。

等離子體表面處理后復(fù)合材料的表面形貌

圖1 等離子體表面處理后復(fù)合材料的表面形貌

由圖1可以看出,等離子體表面處理后,復(fù)合材料表面露出的纖維、刻蝕痕跡和凹坑等缺陷略有增多,說明等離子體處理對(duì)復(fù)合材料表面具有一定的清洗與刻蝕作用。

等離子體表面處理后復(fù)合材料表面水接觸角的變化

將復(fù)合材料用等離子體表面處理后,其表面水接觸角(誤差范圍±3°)隨處理次數(shù)、功率和處理后放置時(shí)間的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 等離子體處理后接觸角的變化

由圖2可以看出,當(dāng)?shù)入x子體處理的次數(shù)和功率增加到一定程度時(shí),復(fù)合材料表面水接觸角會(huì)顯著下降,處理功率為10%時(shí),處理次數(shù)對(duì)接觸角的影響不大。隨處理次數(shù)的增加,不同功率之間的處理結(jié)果漸漸相互接近,當(dāng)處理次數(shù)增加到5次及以后,各功率處理后結(jié)果差別不是很大(10%功率除外)。除了10%功率對(duì)接觸角影響不大外,其他處理功率和次數(shù)均可顯著降低接觸角(可至35°以下),并且隨處理后放置時(shí)間的延長,接觸角又慢慢回升,說明等離子處理具有時(shí)效性。對(duì)于接觸角降低的原因,許多文獻(xiàn)都進(jìn)行了研究,認(rèn)為高能態(tài)的空氣等離子體粒子轟擊高分子材料表面,使材料高分子鏈斷裂,發(fā)生氧化,引入了—COOH、C=O、—OH等極性基團(tuán),導(dǎo)致材料表面水接觸角降低,親水性提高,潤濕性得到改善。對(duì)于等離子體表面處理具有時(shí)效性的原因,目前研究普遍認(rèn)為這種現(xiàn)象是由高分子材料表面的動(dòng)態(tài)重組過程引起的,等離子處理后材料表面被引入大量極性基團(tuán),處于非常不穩(wěn)定的高能狀態(tài),為了降低表面能量,等離子處理后材料表面被引入的極性基團(tuán)向材料內(nèi)部發(fā)生翻轉(zhuǎn),同時(shí)高分子材料內(nèi)部部分未被處理的分子鏈段向表面遷移,這種過程一直持續(xù)到材料表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)為止,故材料表面接觸角出現(xiàn)回升。

復(fù)合材料表面環(huán)氧涂料的涂覆

環(huán)氧涂料為雙組分無溶劑環(huán)氧鐵紅涂料,基本組分為雙酚A環(huán)氧樹脂與脂肪胺固化劑。采用刷涂的方式將環(huán)氧涂料均勻涂覆于復(fù)合材料表面,涂層厚度控制在80~100μm。

等離子體表面處理復(fù)合材料附著力測(cè)試

由表2可知,隨等離子體處理次數(shù)的增加,復(fù)合材料表面接觸角明顯下降,環(huán)氧涂料在復(fù)合材料上的附著力顯著提高。僅經(jīng)過自來水和去離子水清洗的表面,拉開法附著力不到1MPa,經(jīng)等離子體處理后,附著力可提高到9.03MPa(最高10.66MPa)。說明可以采用等離子體做復(fù)合材料的表面前處理,從而提高有機(jī)涂層在其上的附著力。