粘合剂粘合的表面处理：热固性与热塑性复合材料

表面处理——包括处理、研磨或清洁零件或材料表面的某种方法——对于获得成功的粘合剂粘合、涂层甚至喷漆所需的性能至关重要。然而，对于某些材料，有些方法比其他方法更有效。

BTG Labs（美国俄亥俄州辛辛那提）的首席执行官兼首席科学家 Giles Dillingham 表示，用于粘合、涂层或密封的材料表面处理需要完成三件事：

1. 清洁： 这意味着将表面上有害污染物的数量减少到粘合剂与表面实现紧密（分子水平）接触的水平。任何阻碍这种接触的都是一种污染物，必须通过多种清洁技术去除或降低到无威胁的水平。
2. 激活： 清洁的表面必须具有足够的化学活性，以与粘合剂形成主要或次要化学键。化学惰性的清洁表面无法形成牢固可靠的结构粘附所必需的化学键。
3. 稳定： 当暴露在使用环境中时，表面必须能够抵抗降解（通常这意味着氧化）。需要保持表面的清洁度和化学活性，直到进行实际的粘合或涂层操作。

Dillingham 表示，表面处理这三个方面的相对重要性取决于所考虑的材料类别。例如，金属具有非常高的表面能，这意味着表面具有高度的化学反应性并且很快就会受到污染。金属的表面处理侧重于清洁和产生稳定的氧化物。对于复合材料，需要采用不同的方法来成功粘合和涂覆，因为热固性和热塑性聚合物具有相对较低的表面能，因此不像金属那样容易污染，并且在环境暴露期间相对稳定。然而，这些相同的特性使粘合剂不太可能粘在复合材料上。因此，复合材料的表面处理通常侧重于上面列出的第二个因素：增加表面能，以便与粘合剂形成牢固的结合。

确定表面能

尽管通常较低，但不同材料和复合材料部件的表面能可能会有所不同，因此表面处理也会有所不同。根据 Dillingham 的说法，能够快速定量地衡量 物体或材料的表面能是设计、实施或理解正确表面处理的重要第一步。

有几种测试表面能的方法； BTG Labs 经常使用的一项流行技术是测量由一滴流体在测试表面上形成的接触角。在这种方法中，如果液体在与表面接触时呈珠状，这表明它没有被吸引到表面上。很可能，粘合剂或油漆也不会被强烈吸引到该表面，并且附着力会很差。污染是表面以这种方式排斥液滴的原因之一。

然而，如果液体很容易散开而不是成珠状，这表明表面正在强烈地吸引液体。这种表面具有高化学能，并且通常会很好地粘附到粘合剂上。 Dillingham 指出，表面活性剂（如肥皂）的污染也会导致液体在表面上扩散，但表面活性剂引起的润湿很容易通过液体扩散的速度来区分。

液滴和表面之间的角度——换言之，接触角（见左图）——代表了表面对液体的吸引力。有几个因素决定了在给定表面上良好粘合剂粘合的目标接触角应该是多少，包括是通过搭接剪切接头还是双悬臂梁 (DCB) 来评估粘合性。通常，低接触角（从 0 度到 ~30-40 度）表示清洁、高能量的表面将与粘合剂和油漆建立良好的附着力；大角度（60-90 度或更大）表示通常难以粘合的低能量或受污染的表面。 40-60 度范围内的接触角不太明确：这可能表明与接触角较低的表面相比，表面的清洁度和粘合准备程度较低，但这并不一定会产生弱粘合产生高于该范围的接触角测量值的表面。

热固性塑料与热塑性塑料

热固性复合材料（如环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺）和热塑性复合材料（如 PAEK、PEEK、PEKK 和聚苯硫醚）具有不同的表面特性，需要不同的表面制备策略。

Dillingham 说，在某些情况下，热固性树脂可以受益于旨在增加复合材料表面化学反应性的贴面薄膜。这些表面在剥离层去除后通常显示 30 度范围内的水接触角，并且通常是可粘合的。在聚合物表面特别不活泼的其他情况下，水接触角约为 50-60 度，可能需要进行表面处理才能获得良好的附着力。

另一种在热固性复合材料上取得一些成功的表面处理技术是磨损，手动或通过喷砂处理。根据 Dillingham 的说法，磨损之所以起作用，是因为热固性基体树脂是脆性聚合物，在磨损时会因聚合物链的实际断裂而断裂，从而产生化学活性表面。该表面可以与粘合剂反应形成牢固、稳定的界面。根据热固性聚合物的化学成分，磨损可使水接触角降低 10 度或更多，这足以实现良好的粘合。

然而，热塑性聚合物的行为与热固性聚合物不同。 Dillingham 说，因为聚合物链没有通过交联锁定在刚性网络中，所以它们倾向于流动——换句话说，变形塑性 - 磨损，而不是断裂。虽然磨损的热塑性复合材料可能很粗糙，但它仍然不具有化学反应性，无法与粘合剂、涂层或密封剂建立良好的粘合。此外，这些表面上的水接触角通常不会随着磨损而显着变化。对于热塑性复合材料，等离子体处理是增加表面能的有效方法。上图显示了使用 Solvay 377S 薄膜粘合剂粘合的 PEKK 的搭接强度（纵轴）与接触角（横轴）的关系。根据数据，在这种情况下，溶剂擦拭、手工打磨和喷砂并没有提高接头强度，而等离子处理使强度提高了 30% 以上。此外，等离子体处理的样品在粘合剂中的内聚力失效，而其他样品在粘合剂和基材之间至少部分界面失效。

Dillingham 总结说，大多数结构材料之间都可以实现适用于结构目的的牢固、可靠的粘合剂粘合。然而，适用于一类材料的表面处理可能不适用于另一类材料。表面处理的设计需要考虑到基材和粘合剂的特定化学特性。热塑性复合材料的大多数应用都需要将表面能提高到比热固性复合材料更高程度的处理，因此表面处理应区别对待。将表面处理与适当的测量和控制策略相结合，确保表面处理有效且可靠。