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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-04-25 11:56
聚碳酸酯（PC）具有良好的透光性能以及優(yōu)良的抗沖擊性能、耐熱與耐寒性能、尺寸穩(wěn)定性和電絕緣性能，廣泛應(yīng)用于軌道車(chē)輛車(chē)窗和燈罩等的制造。對(duì)于軌道車(chē)輛車(chē)窗和燈罩等的結(jié)構(gòu)連接與縫隙密封， 常采用膠黏劑黏接技術(shù)。然而，由于PC 材料表面呈惰性且在生產(chǎn)過(guò)程中難免引入脫模劑，其與膠黏劑的膠接界面穩(wěn)定性和黏接強(qiáng)度較低，因此有必要對(duì)PC進(jìn)行合適的表面處理來(lái)提升其黏接性能。
常見(jiàn)的表面處理方法有砂紙打磨、底涂處理和等離子處理等，通常根據(jù)基材類型以及服役場(chǎng)景的實(shí)際需求選擇合適的表面處理方法。砂紙打磨是一 種簡(jiǎn)單有效的增加表面粗糙度的方法，常用于一些 金屬和橡膠等的黏接和涂層沉積中；底涂處理通 常與涂覆膠黏劑或噴涂涂料工藝搭配使用，例如噴涂涂層前先在表面涂敷底涂劑，依靠底涂劑與涂層 間的良好結(jié)合力使基材表面涂層附著力提升；等離子處理能夠提升材料表面潤(rùn)濕性，從而改善其黏接性能。目前，PC表面處理的相關(guān)研究多集中在PC表面潤(rùn)濕性、涂層附著力以及采用液態(tài)或糊狀的結(jié)構(gòu)膠黏劑來(lái)表征黏接效果等方面，有關(guān)表面處理后PC與黏度較大的膏狀密封膠之間的黏接性能研究較少。
對(duì)此，作者采用常壓空氣等離子處理、砂紙打磨處理、涂覆底涂劑（底涂）等3種方式對(duì)PC進(jìn)行表面處理，分析了其表面性能，研究了其與聚氨酯密封膠的黏接性能，系統(tǒng)討論了影響PC表面黏接性能的原因。
1.試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為軌道車(chē)輛車(chē)窗用PC板（厚度 為4mm），由科思創(chuàng)聚合物（中國(guó)）有限公司提供；膠黏劑為膏狀聚氨酯密封膠，底涂劑為聚氨酯密封膠專用的聚異氰酸酯溶液，均由西卡（中國(guó)）有限公司提供。對(duì)PC分別進(jìn)行3種表面處理：用無(wú)水乙醇擦洗清潔表面后，采用PREZO BRUSH PZ3型常壓等離子發(fā)生器垂直于PC 表面進(jìn)行常壓等離子處理，焦距 5mm，移動(dòng)速度1mm·s−1；用P150砂紙對(duì)PC表面進(jìn)行打磨處理，打磨至表面無(wú)光澤且橫、縱向磨痕均勻分布，再用無(wú)水乙醇清潔表面；用無(wú)水乙醇清潔表面后，使用毛刷在PC表面薄涂一層聚異氰酸酯溶液，晾干（約10min）。未進(jìn)行表面處理的PC僅用無(wú)水乙醇進(jìn)行表面清潔。
采用Kruss DSA30型水接觸角測(cè)定儀，通過(guò)座滴法測(cè)試蒸餾水和乙二醇在PC表面的靜態(tài)接觸角，根據(jù)Owens-Wendt法計(jì)算表面能。采用Agilent 5500型原子力顯微鏡（AFM）觀察表面微觀形貌。采用ESCALAB 250 型X射線光電子能譜儀（XPS）測(cè)試表面元素和官能團(tuán)，并計(jì)算其相對(duì)含量，計(jì)算公式如下：
式中：Ci為第i個(gè)元素或官能團(tuán)的相對(duì)含量；Ii為第i個(gè)元素或官能團(tuán)的光電子信號(hào)強(qiáng)度； ΣIi 為所有元素或官能團(tuán)的光電子信號(hào)強(qiáng)度總和。
采用JSM-7610F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面微觀形貌，測(cè)試前進(jìn)行噴金處理，噴金電流 2.6mA，噴金時(shí)間1.5 min。
按照ISO 21194：2019（E）制備黏附性能剝離試驗(yàn)用試樣。在尺寸為30cm×15cm的PC表面制作聚氨酯膠條，膠條寬12mm，高5mm，長(zhǎng)200mm。在制作膠條時(shí)，擠壓出的膠黏劑截面形狀應(yīng)為半圓形或三角形，黏附于PC表面后使用刮刀壓膠，膠條在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度23 ℃、相對(duì)濕度50%）下固化7d。使用壁紙刀沿卷起的膠條根部，以約45°斜向切至PC表面，同時(shí)用尖嘴鉗子夾緊膠條沿130°~160°方向往后卷，使膠條沿切口發(fā)生剝離，持續(xù)提高剝離力，直至出現(xiàn)擴(kuò)展裂紋，如此重復(fù)操作，直至膠條完全剝離。在破壞過(guò)程中，每次卷起剝離的過(guò)程持續(xù)約3s，切口間距約為5mm。根據(jù) ISO 10365：2022對(duì)試樣失效模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。
如圖1所示，將膠黏劑施涂在尺寸為100 mm×25mm×4mm的PC試樣一端，涂膠長(zhǎng)度12.5mm，涂膠寬度25mm，將另一相同尺寸PC試樣置于膠黏劑上方并擠壓至膠黏劑厚度為12mm，使用刮刀將側(cè)面擠壓出的膠黏劑刮凈，在標(biāo)準(zhǔn)條件下固化7d后，在CMT4304型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，夾持段長(zhǎng)37.5 mm，拉伸速度18 mm · min−1。根據(jù)ISO 10365：2022對(duì)試樣失效模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。
圖1 拉伸剪切試樣的形狀與尺寸
2.試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 接觸角與表面能
由表1可見(jiàn)：與未進(jìn)行表面處理的PC相比，等離子處理后PC表面的水接觸角和乙二醇接觸角大幅減小，表面能大幅提高，其中表面能極性分量提高，但色散分量略有降低，PC表面潤(rùn)濕性得到顯著改善，與文獻(xiàn)中關(guān)于等離子處理對(duì)2mm厚工業(yè)級(jí)PC表面潤(rùn)濕性影響的研究結(jié)果較為一致，說(shuō)明潤(rùn)濕性的提升主要與表面能極性分量的增加有關(guān)；砂紙打磨處理后水接觸角增大，PC表面表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性，乙二醇接觸角減小，表面能大幅提高；底涂處理后水接觸角減小，表面親水性增強(qiáng)，表面能增長(zhǎng)不明顯，但表面能極性分量增長(zhǎng)了180%以上，表面潤(rùn)濕性有所提升，由于底涂劑覆蓋在PC表面，此時(shí)的表面性能主要由固化后的底涂劑自身特性決定。
表1 檢測(cè)液體在不同工藝處理PC試樣表面的接觸角及PC表面能參數(shù)
2.2 表面官能團(tuán)與元素
由圖2和表2可見(jiàn)：相較于未進(jìn)行表面處理，3種工藝表面處理后PC表面氧含量均明顯升高，砂紙打磨處理后表面還出現(xiàn)大量硅元素，這可能與砂紙導(dǎo)致的污染有關(guān)，底涂處理后引入了底涂劑中的氮、硅等元素；結(jié)合能為284.8，286.5，289.1 eV處的峰分別對(duì)應(yīng)含碳官能團(tuán)C― C/C― H、C― O― C 和 O ＝C― O。等離子處理后 C― O― C 和O ＝C― O 相對(duì)含量增加，這是因?yàn)樘幚須怏w中的氧元素和氮元素引入到了PC 表面，從而增加了表面極性。表 面極性的增加有利于提升PC的表面潤(rùn)濕性，從黏接吸附理論來(lái)講還有利于提高膠黏劑與PC表面之間的吸附力。砂紙打磨處理后表面主要官能團(tuán)為C― C/C― H，表面氧元素主要來(lái)自打磨引入的含氧雜質(zhì)；底涂處理后表面含氧官能團(tuán)數(shù)量明顯提升，尤其是引入了極性較大的C＝O官能團(tuán)。
圖 2 不同工藝表面處理前后 PC 表面的 XPS 譜
表2 不同工藝表面處理前后PC表面元素及官能團(tuán)測(cè)試結(jié)果
2.3 表面微觀形貌
由圖3可見(jiàn)，未進(jìn)行表面處理的PC表面較粗糙，存在大量針狀凸起和溝狀凹坑（寬度約50nm）。由于聚氨酯膠黏劑的黏度較大（約4000mPa · s）、流動(dòng)性差、主動(dòng)浸潤(rùn)能力較差，涂敷在粗糙表面時(shí)易因凹坑的存在與PC形成大量的點(diǎn)接觸，在膠黏劑固化后凹坑形成的孔洞將作為缺陷殘留在黏接界面。底涂處理后PC表面較光滑，形貌為水波狀，這是底涂劑自然固化形態(tài)，PC表面無(wú)明顯微細(xì)溝壑。試驗(yàn)用底涂劑為聚異氰酸酯溶液，其黏度較小（約10mPa · s）、 流動(dòng)性好，可以更好地填充潤(rùn)濕PC表面凹坑，并在PC與聚氨酯密封膠之間起到橋梁作用，使得PC與密封膠結(jié)合更加緊密。
圖 3 未表面處理和底涂處理后PC表面的AFM形貌、SEM形貌及黏接界面示意
2.4 黏附性能
由圖4可見(jiàn)：膠條剝離后，未進(jìn)行表面處理的PC表面為完全界面黏附性破壞，等離子處理和砂紙打磨處理后膠黏劑剝離破壞形貌未發(fā)生本質(zhì)變化，均以界面黏附性破壞為主，底涂處理后表面表現(xiàn)為膠黏劑內(nèi)聚破壞。對(duì)比可知，等離子處理和砂紙打磨處理后PC和膠黏劑的界面結(jié)合力較弱，黏接界面早于膠黏劑內(nèi)部發(fā)生破壞，底涂處理后黏附性能明顯提升。
圖 4 膠條剝離后不同工藝表面處理前后PC的表面宏觀形貌
2.5 拉伸剪切強(qiáng)度
由圖5可見(jiàn)：PC未進(jìn)行表面處理、進(jìn)行等離子處理和砂紙打磨處理后拉伸剪切斷口均呈界面破壞，與膠條剝離試驗(yàn)結(jié)果一致，拉伸剪切強(qiáng)度均不足1MPa；PC表面進(jìn)行底涂處理后，拉伸剪切斷口呈膠黏劑內(nèi)聚破壞，拉伸剪切強(qiáng)度為3.06 MPa，與未進(jìn)行表面處理相比高了約13倍，黏接性能明顯提升。
圖 5 不同工藝表面處理前后拉伸剪切試樣的斷口形貌及拉伸剪切強(qiáng)度
由于試驗(yàn)所用底涂劑黏度較小，粗糙的PC表面反而增加了底涂劑與基材的接觸面積，并且底涂處理后PC表面較為光滑，膠黏劑可以最大限度地與PC表面接觸結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)牢固連接。此外，底涂分子可以通過(guò)一系列化學(xué)鍵合反應(yīng)與膠黏劑中的聚氨酯分子的活性基團(tuán)形成化學(xué)鍵，在聚氨酯膠黏劑與基材黏接過(guò)程中起到橋梁作用。聚氨酯分子鏈上含有異氰酸酯（―NCO）和氨基甲酸酯（―NHCOO―），而底涂劑晾干后的主要有效成分為1，6-二異氰酸根合己烷的均聚物，―NCO活性基團(tuán)易發(fā)生水解并分解成CO2和伯胺，伯胺可以與底涂劑或密封膠中的―NCO反應(yīng)生成取代脲，脲與― NCO進(jìn)一步反應(yīng)生成縮二脲鏈，使聚氨酯大分子鏈形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于聚氨酯膠黏劑為長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，底涂劑為短鏈結(jié)構(gòu)，底涂劑中的―NCO活性基團(tuán)要遠(yuǎn)多于膠黏劑，因此膠黏劑與底涂界面的化學(xué)交聯(lián)度明顯高于膠黏劑內(nèi)部的交聯(lián)度，這也使得PC底涂處理后與膠黏劑的界面結(jié)合更牢固。
3.結(jié) 論
（1）與未表面處理相比，等離子處理后PC表面與水、乙二醇的接觸角均減小，表面能中極性分量明顯提升（從9.1 mJ · m−2增加至46.4 mJ · m−2），表面極性含氧官能團(tuán)含量增加，潤(rùn)濕性提升；底涂處理 后表面水接觸角略有減小，表面引入了大量含氧極性官能團(tuán)，表面能中極性分量由9.1mJ · m−2增加至25.7 mJ·m−2，潤(rùn)濕性有所提升。
（2）底涂處理后PC表面形貌由未表面處理時(shí)的納米級(jí)溝狀凹坑轉(zhuǎn)變?yōu)檩^光滑的水波狀形貌。底涂處理后PC表面的失效模式由未表面處理以及砂紙打磨、等離子處理的界面黏附失效轉(zhuǎn)變?yōu)槟z黏劑內(nèi)聚失效，拉伸剪切強(qiáng)度相較未表面處理提高了約13倍，砂紙打磨和常壓空氣等離子處理后拉伸剪切強(qiáng)度相較未表面處理略有提高。表面底涂處理可以顯著提升PC與聚氨酯密封膠之間的黏接性能，砂紙打磨和等離子處理對(duì)黏接性能提升不明顯。
作者：徐智寶，于壯壯，陳俊宏，王 萌，劉富強(qiáng)，叢 羽
工作單位：中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所有限責(zé)任公司
來(lái)源：《機(jī)械工程材料》2025年2期
來(lái)源：機(jī)械工程材料
