等離子表面處理對橡膠表面親水粘接性能的影響
文章出處：本站 | 網(wǎng)站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-04-16
橡膠是一種常見彈性高分子材料，具有優(yōu)秀的機械性能，以及耐高溫、耐油、耐腐蝕的特點，廣泛應(yīng)用于減振結(jié)構(gòu)中。但橡膠因其表面能低、接觸角大，粘接劑無法浸潤，并存在弱邊界層，造成其粘接困難，粘接強度低，影響了橡膠的使用范圍。針對這種問題，工程上一般采用化學(xué)改性、機械改性和等離子體處理等方法進行表面處理，改變橡膠的表面形貌、物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能等，改善其粘接性能。等離子體處理是一種優(yōu)秀的表面改性方法，廣泛應(yīng)用于各種材料的表面改性。其通過含有帶電的正粒子和負粒子氣體噴射被粘接面，其能量可通過輻射、中性粒子流和離子流的碰撞作用于被粘接面，從而產(chǎn)生自由基或與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時，薄膜表面會發(fā)生刻蝕、聚合、交聯(lián)等物理和化學(xué)變化。等離子體改性只對材料表面（通常從幾至幾百納米）進行改性，并不影響材料本身的基體性能。
我們采用Ar、O2、空氣3種氣氛等離子處理橡膠試樣表面，在相同處理功率和處理壓強的條件下，改變處理時間，測試試樣表面的靜態(tài)接觸角，表面能。圖1是不同處理氣氛下處理時間與橡膠表面接觸角、表面能的關(guān)系。
等離子處理氣氛與橡膠表面性能之間的關(guān)系
由圖1可知，在一定功率及壓強條件下，隨著處理時間的增加，3種氣氛LTP處理均可有效降低橡膠試樣表面靜態(tài)接觸角，提高表面能，繼續(xù)延長處理時間，接觸角、表面能的變化趨勢平緩，進一步延長處理時間，接觸角小幅上升、表面能略有減小，說明等離子表面處理時間并不是越長越好，而是有相對理想的參數(shù)。這是因為低溫等離子處理達到一定時間后，等離子體在材料表面引發(fā)的表面活性濃度趨于飽和，由于材料表面遵循能量平衡定律，部分表面活性基團會自發(fā)向能量較低的基體翻轉(zhuǎn)，因此，材料表面能的提高是有限度的。
由圖1可以看出：在相同的處理功率和氣體壓強下，Ar氣氛處理對改善橡膠表面接觸角和表面能的效果最明顯，且空氣氣氛處理效果比O2氣氛好。這是因為Ar是非聚合非反應(yīng)性氣體，其等離子體不能直接結(jié)合到橡膠材料表面的大分子鏈上，但這些高能等離子體轟擊橡膠表面時會引發(fā)橡膠表面生成新的活性基團，這些活性基團會導(dǎo)致材料表面自由能和模量發(fā)生改變，且在材料表面形成致密的交聯(lián)層。因此，Ar非聚合非反應(yīng)性氣體在改性材料表面時，主要產(chǎn)生交聯(lián)、刻蝕、氧化3種作用。O2氣氛與含氧氣氛是非聚合性反應(yīng)性氣體，等離子體可直接通過輝光放電電離成自由基直接作用在材料表面，并進一步氧化生成含O的活性基團，這些活性基團在離開等離子體環(huán)境后一部分與空氣中的O結(jié)合生成含氧基團(—CO—、—COO—、—OH—)，一部分由于發(fā)生相互作用從而使表面自由基濃度下降。而空氣氣氛中含有N2等非反應(yīng)性氣氛，這些氣氛對材料表面改性的起到一定刻蝕效果。非聚合性反應(yīng)性氣體主要是通過氧化、刻蝕2種作用對材料表面進行改性的。
高分子材料的使用價值與其表面的形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。在接觸介質(zhì)時，材料總是通過表面與環(huán)境相互作用，在介質(zhì)中的材料性能變化也是從表面開始的。在實際應(yīng)用中，聚合物表面存在大量的表面和界面問題，例如有弱邊界層、表面能低、表面污染等影響粘接、染色，而等離子體表面改性作為一種干式處理工藝，效率高、對環(huán)境無污染且能對材料表面改性的同時不影響到材料的本體性質(zhì)，通過等離子表面處理技術(shù)改性橡膠表面,等離子處理改善了橡膠表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過等離子處理的橡膠表面的親水性明顯提高,而且橡膠試樣與密封材料的黏結(jié)強度顯著提高。
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