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樹脂基復合材料具有良好的工程性能(如比強度、比剛度高,耐久性強等),在汽車工業、海洋船舶工業等領域中得到了廣泛的應用。隨著樹脂基復合材料的廣泛使用,以及復合材料表面各種功能涂層的大量使用,對樹脂基復合材料的表面性能提出了更高的要求。由于樹脂基復合材料表面惰性強,潤濕性差,表面自由能低,導致其粘接強度或涂層附著力不高,通常在粘涂之前對樹脂基復合材料進行表面處理,提高其粘接強度。傳統的對樹脂基復合材料進行表面處理的方法主要是機械打磨法,該方法具有操作簡便、綠色無污染、生產成本低等優點,但是其處理的質量難以控制,可能對復合材料基體或增強纖維造成損傷,且重現性差。

低溫等離子體中包含大量電子、離子、分子、激發態原子等活性粒子,具有激發溫度低、產生的活性粒子濃度高、操作簡便、效率高、無污染等優點被廣泛應用于材料表面處理等領域。

低溫等離子體處理對樹脂基復合材料表面性能的影響

接觸角與表面能

樹脂基復合材料處理前后的水接觸角如圖1所示。可以看出,經過開放式低溫等離子體處理后,樹脂基復合材料表面的水接觸角明顯減小,潤濕性增加。處理前后試樣的接觸角及表面能參數見表5。可以看出,復合材料表面能從24.8mJ/m2增加到了78.3mJ/m2,提高了2.16倍,固相色散力增加了101.6%,固相極性力提高了607倍。可以看出,經過開放式低溫等離子體處理后,樹脂基復合材料表面的色散分量和極性分量都有所增加,且極性分量的增加占據主導作用,遠遠大于色散分量的增幅。根據擴散理論,潤濕性增加有利于膠黏劑或涂層等粘接材料的擴散,對粘接強度的提高有促進作用。

圖1 樹脂基復合材料等離子處理前后表面水接觸角

表面微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡分析開放式低溫等離子體處理前后樹脂基復合材料表面的微觀形貌與表面粗糙度。處理前后復合材料的SEM形貌如圖2所示。可以看出，經過低溫等離子體處理后，復合材料表面的微觀形貌發生變化，未處理試樣表面較為光滑,處理后的試樣表面有些許的碳纖維裸露在表面,且碳纖維表面無損傷,如圖2b中紅色矩形框所示,試樣表面樹脂發生了刻蝕。圖2b中試樣表面些許白色物質為材料制備時加入的增強物質,其成分為Ca元素。等離子體對試樣表面處理后,表層樹脂被汽化,增強物質未被汽化留在了試樣表面。

圖2 低溫等離子體處理前后復合材料表面 SEM圖(a)未處理(b)

采用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣處理前后的三維形貌,如圖3所示。可以看出,低溫等離子體處理后,試樣的表面粗糙度明顯增加,通過粗糙度測量得到未處理時的粗糙度為0.87μm,處理后試樣的表面粗糙度為3.05μm,增加了約2.5倍。根據機械結合理論,粗糙度的增加有利于增加粘接時膠黏劑與基體的粘接面積,有利于粘接強度的提高。

圖3 復合材料表面三維形貌圖(a)未處理(b)低溫等離子體處理 

表面微觀元素

低溫等離子體處理前后樹脂基復合材料表面XPS全譜圖如圖4所示。可以看出,樹脂基復合材料表面主要有C、O兩種元素,且處理后的材料表面O元素含量明顯增加,其含量遠遠大于未處理試樣表面O元素含量,碳元素含量有所下降。氧碳含量見表1,可以看出,氧碳比從0.612增加到1.79,提高了1.93倍。此外,N元素含量較未處理試樣也有所增加。利用最小二乘法對C1s進行分峰擬合(如圖5所示),可以擬合出3種峰,分別為結合能在284.8eV附近的碳氫鍵或碳碳單鍵(C—H、C—C),結合能在286.1eV附近的碳氮或碳氧單鍵(C—N、C—O),結合能在289.1eV附近的碳氧雙鍵(C=O、O—C=O)。每條峰位曲線與X軸組成的面積為此狀態下官能團的相對含量。從圖5可以看出,低溫等離子體處理后,復合材料表面活性基團的數量明顯增加。氧元素含量的增加以含氧官能團的形式存在,根據化學鍵理論,含氧官能團增加有利于粘接時形成化學鍵結合,有利于粘接強度的提高。

圖四 復合材料表面低溫等離子體處理XPS全譜圖

表1  復合材料表面氧碳成分比例

圖5 復合材料表面XPS譜的C1s擬合圖

樹脂基復合材料經過低溫等離子體處理后,表面化學成分發生變化,表現在表面氧元素含量大大增加,碳含量相對減少,氧碳比增加。氧元素主要以含氧活性官能團的形式存在,表面極性官能團種類與數量增加。根據化學鍵理論,含氧官能團增加有利于粘接時膠黏劑與材料界面處形成化學鍵,有利于粘接強度的提高。