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鋁箔玻纖復合織物是以玻璃纖維(本文簡稱“玻纖”)織物為基布,表面復合鋁箔的熱防護材料,具有優良的熱防護性能,廣泛用于消防戰斗服、森林避火罩等裝備。但是一方面,鋁箔表面較為光滑、缺乏活性基團,與黏結劑之間的結合力較差,導致鋁箔玻纖復合織物剝離強度較弱,重復使用后易出現剝離的情況,大幅降低復合織物的熱防護性能,危害穿戴者的生命安全。另一方面,鋁箔和黏結劑復合后致密性不夠好,不利于熱防護性能的提升

等離子體是一種常用的材料表面改性技術,通過刻蝕作用可改善材料粗糙度、提高接觸面積,還可以提高材料的表面活性。本文采用等離子體處理技術對鋁箔進行表面改性,研究等離子體處理時間、處理功率、2個關鍵因素對于鋁箔表面接觸角、剝離強力的影響,并對改性前后鋁箔表觀形貌進行了對比研究。

等離子體處理工藝對接觸角與剝離強力的影響

測試及表征

接觸角測試:采用接觸角測量儀對等離子體處理過的鋁箔進行接觸角測試,使用水性有機硅樹脂為試劑。

剝離強力測試:參照GB/T2792—2014《膠粘帶剝離強度的試驗方法》,采用電子織物強力機對雙層玻纖/鋁箔復合織物開展剝離性能測試。制作20cm×20cm規格的雙層玻纖織物夾鋁箔試樣(即2塊玻纖織物中間為1塊鋁箔,用膠黏劑黏合),將制成的試樣烘干固化后再裁剪成25mm寬度的條狀布。鋁箔玻纖織物復合面料的剝離性能測試試樣如圖1所示。

圖1 鋁箔玻纖復合織物剝離強力測試樣

等離子處理時間對接觸角與剝離強力的影響

在處理功率為300W、噴頭高度為3mm時,分析等離子體處理時間為0、100、200、300、400s的工藝條件下對鋁箔玻纖復合織物接觸角和剝離強力的影響,結果分別見圖2、3。由圖2可知,未經處理的鋁箔表面接觸角為61.4°,經等離子體處理后,接觸角隨處理時間延長呈現顯著下降:處理時間由100s增至400s時,接觸角從40.5°逐步降至19.8°,說明等離子體處理能有效改善鋁箔表面與膠黏劑的親和性。這可能是因為等離子體處理會增加鋁箔表面的粗糙程度,促使接觸面積增大,接觸角變小。

圖2 等離子體處理時間對鋁箔表面接觸角的影響

圖3 等離子體處理時間對剝離強力的影響

由圖3可知,未經處理試樣的剝離強力為7.2N,經100~400s處理后其值分別提升至9.5、10.6、11.7和11.9N,說明鋁箔與膠黏劑之間的親和性變好,這有利于二者之間黏結強度的提升;當處理超過300s后,剝離強力增幅較小,這可能由于表面過度刻蝕導致微觀結構均質化。

等離子處理功率對接觸角與剝離強力的影響

在處理時間為300s、噴頭高度為3mm時,分析等離子體處理功率為100、200、300、400、500W的工藝條件下對鋁箔玻纖復合織物接觸角和剝離強力的影響,結果分別見圖4、5。由圖4可知,鋁箔接觸角隨等離子體處理功率的增大呈現先降后升的變化趨勢。當處理功率從100W增至300W時,接觸角由52.6°顯著降低至20.6°;而當功率繼續提升至500W時,接觸角反而回升至47.5°。這可能是因為是當功率小于300W時,隨著等離子體處理功率的逐步增大,在鋁箔表面形成刻蝕,使得粗糙度增大，接觸角變小;當處理功率大于300W后,在較大功率下鋁膜表面可能發生熔融,將原有的刻蝕痕跡平坦化,導致粗糙度下降。在300W處理功率下接觸角達到極小值,表現出最優的親水特性。

圖4 等離子體處理功率對接觸角的影響

圖5 等離子體處理功率對剝離強力的影響

由圖5可知,鋁箔玻纖復合織物的剝離強力隨等離子體處理功率的增大呈現先增后降的變化趨勢。當處理功率從100W遞增至300W時,剝離強力由7.8N顯著提升至11.7N;而當功率繼續增大至500W時,剝離強力反而回落至8.3N。這可能是因為當等離子體處理功率處于300W以下時,隨著功率的逐步提升,鋁箔表面會因等離子體刻蝕作用產生更多溝壑,表面粗糙度增大,接觸角變小,與膠黏劑的接觸面積增大,所以剝離強力也隨之增大。然而當功率超過300W后,高能等離子體會引發鋁膜表層材料的熔融現象,使得先前形成的刻蝕結構趨于平滑,最終導致表面粗糙度降低,與膠黏劑的接觸面積逐漸減小,導致剝離強力也隨之減小。

鋁箔表面形貌對比分析

圖6示出等離子體處理前后的鋁箔的SEM照片。未經等離子體處理的鋁箔表面較為平整,這也是導致鋁箔玻纖復合織物剝離強力不足的主要原因。相比之下,經過等離子體處理的鋁箔表面形成了眾多微米級溝槽,一方面使得其與樹脂之間的界面接觸面積變大,一方面使得鋁箔表面樹脂接觸角變小,從而促使鋁箔-玻纖織物黏結的更加緊密,黏結強度提升,進而增強了鋁箔玻纖織物的剝離強力。

圖6 鋁箔SEM照片(×5 000)

經等離子體處理后,鋁箔表面水性有機硅樹脂接觸角降至19.3°,復合織物剝離強度提高至12.1N,該工藝顯著增強了鋁箔與玻璃纖維的界面粘接性能。