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等離子體處理氟橡膠提高表面能與粘接性

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-06-07
氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈的碳原子連接有F原子的一類高分子彈性體，具有優(yōu)異耐高溫、耐介質(zhì)等特性，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)油封等部件。但氟橡膠表面能較低，表面潤濕性、粘接性較差，很難與其他材料粘接。等離子體處理是一種高效、環(huán)保的表面改性處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于塑料、碳纖維、橡膠等高分子的表面改性。用于提高高分子的表面粘接性。

本文以氟橡膠為研究對象，利用等離子體對氟橡膠進(jìn)行表面改性。通過表征微觀形貌、表面元素及結(jié)構(gòu)，測量靜態(tài)水接觸角、粘接強(qiáng)度、等性能，探討氟橡膠改性前后，性能的變化，以評價等離子體處理對氟橡膠表面性能的影響。

等離子體處理對氟橡膠表面形貌的影響


使用掃描電子顯微鏡觀察氟橡膠經(jīng)不同氣氛等離子體處理前后的表面形貌，結(jié)果如圖1-1所示，其中圖1-1a為未處理原始試樣，圖1-1b、圖1-1c、圖1-1d分別對應(yīng)Ar、空氣、O2在相同工藝參數(shù)(功率100W，時間1min)下處理的試樣。由圖1-1可知：未處理試樣表面分散有明顯的無機(jī)填料顆粒。經(jīng)等離子體處理后，橡膠表面無機(jī)填料減少，且表面形成一些明顯的微坑、微裂紋。分析認(rèn)為未處理的氟橡膠表面無機(jī)填料添加劑使橡膠表面形成弱界面層，表面粘接性較差，當(dāng)冷等離子體轟擊氟橡膠表面時，表面結(jié)構(gòu)中的疏松部分在等離子體的碰撞中被蒸發(fā)除去，使表面形成微坑，表面產(chǎn)生刻蝕現(xiàn)象。對比圖1-1b、圖1-1c、圖1-1d可以發(fā)現(xiàn)Ar氣氛刻蝕效果更明顯。
圖1-1 等離子體處理前后氟橡膠的表面形貌
圖1-1 等離子體處理前后氟橡膠的表面形貌


等離子體處理對氟橡膠表面粗糙度的影響


為進(jìn)一步分析不同氣氛等離子體對氟橡膠表面性能影響，對氟橡膠在相同處理工藝參數(shù)下，采用原子力顯微鏡表征等離子體處理前后的三維形貌，結(jié)果如圖1-2所示，三維形貌表面參數(shù)結(jié)果見表1-1，其中Ra表示平均粗糙度，Rq表示粗糙度偏差。
圖 1-2 等離子處理前后氟橡膠表面三維形貌
圖 1-2 等離子處理前后氟橡膠表面三維形貌
 
從圖1-2三維形貌可以看出，與未處理試樣相比，經(jīng)等離子體處理后，橡膠表面凹凸起伏的山峰溝壑?jǐn)?shù)量明顯增加。

表 1-1 等離子處理前后橡膠三維形貌表面參數(shù)
表 1-1 等離子處理前后橡膠三維形貌表面參數(shù)
 
由表1-1可知：未處理時，氟橡膠的Ra為380nm、Rq為474nm，經(jīng)空氣、O2、Ar處理后Ra依次為305、290、335nm，而Rq分別為383、362、390nm，表明冷等離子體處理始氟橡膠的表面粗糙度更均勻。
等離子體處理對氟橡膠表面元素的影響

使用X射線光電子能譜儀，表征等離子體處理前后氟橡膠表面元素的變化，得出的元素全譜圖如圖1-3所示，橡膠表面各主要元素對應(yīng)的含量見表1-2。
圖 1-3 等離子處理前后氟橡膠的全譜圖
圖 1-3 等離子處理前后氟橡膠的全譜圖

表 1-2 冷等離子體處理前后氟橡膠的表面元素含量 %
表 1-2 冷等離子體處理前后氟橡膠的表面元素含量 %
 
從圖1-3、表1-2可知：原始未處理的氟橡膠的表面C元素含量為38.21%、F元素含量為57.72%、O元素含量為4.06%，經(jīng)等離子處理后，C、O元素含量升高，F(xiàn)元素含量降低，其中Ar等離子體處理的試樣表面O元素含量升高到21.29%，變化更明顯。分析認(rèn)為Ar為非反應(yīng)性氣體，非反應(yīng)性氣體的等離子體中的高能粒子轟擊橡膠表面時產(chǎn)生大量自由基，自由基與空氣中氧結(jié)合，形成含氧極性基團(tuán)。


等離子體處理對氟橡膠靜態(tài)水接觸角的影響


1）等離子處理時間對氟橡膠表面接觸角的影響。
在一定功率(100W)、一定壓強(qiáng)(20Pa)下，氟橡膠的靜態(tài)水接觸角與處理時間的關(guān)系如圖1-4所示。從圖1-4中看出：未處理時，橡膠的接觸角為100.3°，隨著處理時間的增加，氟橡膠的表面接觸角的變化規(guī)律為先急劇下降、后逐漸趨于平緩、最后略微上升，這是由于處理時間增加到一定值時，活性粒子趨于飽和，材料表面接觸角無明顯變化。
圖1-4 處理時間與表面接觸角的關(guān)系
圖1-4 處理時間與表面接觸角的關(guān)系
 
Ar氣氛處理4min時，接觸角降到最低54°；空氣處理3min時，接觸角降到最低64°；O2處理2min，接觸角降到最低75°。可知三種氣氛的處理效果順序?yàn)锳r>空氣>O2。這是由于Ar為非反應(yīng)性氣體，其不直接進(jìn)入到橡膠表面的大分子鏈中，但這些非反應(yīng)性氣體等離子體中高能粒子轟擊材料表面時，會引發(fā)橡膠表面產(chǎn)生大量自由基，使表面形成強(qiáng)烈刻蝕作用和致密交聯(lián)層結(jié)構(gòu)，此外這些自由基與空氣中氧作用，形成含氧基團(tuán)，因此Ar非反應(yīng)性氣氛等離子體主要發(fā)生刻蝕、交聯(lián)、氧化作用。而空氣、O2是屬于反應(yīng)性氣體，其等離子體直接通過氧化形成自由基，一部分與空氣中的氧結(jié)合生成含氧基團(tuán)(—CO—、—COO—、—OH—)，另一部分由于發(fā)生相互作用，使表面自由基濃度下降，不會形成致密交聯(lián)層，因此，反應(yīng)性氣體等離子體主要發(fā)生刻蝕、氧化作用。

2）等離子處理功率對氟橡膠表面接觸角的影響。
在一定處理時間和壓強(qiáng)下，處理功率對氟橡膠表面接觸角的影響如圖1-5所示。
圖1-5 處理功率與表面接觸角的關(guān)系
圖1-5 處理功率與表面接觸角的關(guān)系
 
從圖1-5可以看出：隨處理功率的增加，材料表面靜態(tài)接觸角先急劇降低到最低值，后略微上升，Ar、O2、空氣的處理功率依次122、100、100W時，接觸角達(dá)最低值分別為49.3°、65.7°、62°。分析認(rèn)為隨著處理功率的增加，氣體分子獲得能量增大，從而使得氣體分子的電離程度增大，大大地提高了等離子體轟擊材料表面的概率及作用效果，當(dāng)功率增大到一定值時，等離子體相互碰撞、消除的幾率增大，使得表面形成的自由基就會減少，因此，出現(xiàn)了接觸角降到一定程度后增加的現(xiàn)象，三種氣氛的處理效果順序?yàn)锳r>空氣>O2。


等離子體處理對氟橡膠粘接強(qiáng)度的影響


等離子體處理前后氟橡膠與PTFE的粘接強(qiáng)度的結(jié)果見表1-3。

表 1-3 等離子體處理前后氟橡膠與 PTFE 間粘接強(qiáng)度
表 1-3 等離子體處理前后氟橡膠與 PTFE 間粘接強(qiáng)度
 
由表1-3可知，未處理的氟橡膠粘接強(qiáng)度為561N·m-1相比。經(jīng)Ar、空氣、O2、等離子體處理后，氟橡膠與PTFE的粘接強(qiáng)度依次提高到605、590、582N·m-1，說明等離子體處理可以改善橡膠粘接性能，其中Ar氣氛處理后，橡膠的粘接強(qiáng)度提高幅度最大，空氣次之，O2較弱。

本文由納恩科技整理編輯，氟橡膠的表面惰性，導(dǎo)致表面粘接性較差，很難與金屬或高分子材料粘接復(fù)合，限制了其應(yīng)用范圍。因此，需對氟橡膠進(jìn)行表面改性，以增加氟橡膠的表面粘接性能。通過等離子表面處理，可有效提高氟橡膠的表面能，降低其表面接觸角，有利于粘合。等離子體處理方法的優(yōu)點(diǎn)是效果顯著、工藝簡單、無污染，可以通過不同的處理?xiàng)l件獲得不同的表面性能，應(yīng)用范圍廣泛，更重要的是處理效果只局限于表面而不影響材料本體性能，其缺點(diǎn)是處理效果具有明顯的時效性。
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