优化胶粘结合：热固性与热塑性复合材料表面处理策略

表面处理——涉及某种处理、打磨或清洁零件或材料表面的方法——对实现成功胶粘、涂覆甚至喷涂所需性能至关重要。但不同材料适用方法效果各异。

据BTG Labs（美国俄亥俄州辛辛那提）CEO兼首席科学家Giles Dillingham，材料表面处理用于粘接、涂覆或密封需达成三点：

1. 清洁：将表面有害污染物降至胶粘剂与表面实现分子级亲密接触的水平。阻碍此接触的皆为污染物，须通过多种清洁技术去除或降至无威胁水平。
2. 活化：清洁表面须具足够化学活性，与胶粘剂形成一级或二级化学键。化学惰性的清洁表面无法形成结构粘接所需的强可靠化学键。
3. 稳定化：表面暴露于服役环境时须抗降解（通常指抗氧化）。表面洁净度和化学活性须保持至实际粘接或涂覆作业时刻。

Dillingham称，这三方面相对重要性取决于材料类别。如金属表面能极高，表面高化学反应性且极易污染。金属表面处理聚焦清洁和形成稳定氧化层。复合材料需不同策略，因热固性和热塑性聚合物表面能相对低，不易像金属般污染，环境暴露相对稳定。但这些特性也使胶粘剂难粘结复合材料。因此复合材料表面处理通常聚焦第二因素：提高表面能以与胶粘剂形成强粘结。

确定表面能

虽总体较低，但不同材料和复合部件表面能各异，表面处理随之变化。Dillingham称，快速定量测量物体或材料表面能是设计、实施或理解正确表面处理的关键第一步。

测试表面能有多种方法；BTG Labs常用一种流行技术：测量流体滴落测试面形成的接触角。若液滴接触表面后成珠，表明不被表面吸引。胶粘剂或油漆亦不易被该表面强吸引，粘附力差。污染是导致液滴被排斥的原因之一。

若液滴易铺展而非成珠，表明表面强吸引液体。此类表面化学能高，通常能良好粘附胶粘剂。Dillingham注：表面活性剂污染（如肥皂）也致液体铺展，但表面活性剂诱导润湿可通过液体铺展速率轻易区分。

液滴与表面夹角——即接触角（见左图）——量化表面对液体吸引力。多因素决定给定表面良好胶粘结合的目标接触角，含是否通过搭接剪切接头或双悬臂梁（DCB）评价粘接。通常低接触角（0°至~30-40°）指示清洁高能表面，将对胶粘剂和油漆建立良好粘附；高角度（60-90°或更高）指示低能或污染表面，通常难粘接。40-60°区间不够明确：可能指示表面不如低角度可预测地清洁就绪，但不如高角度范围确定导致弱粘结。

热固性vs热塑性

热固性复合材料（环氧、聚酰亚胺、双马来酰亚胺等）和热塑性复合材料（PAEK、PEEK、PEKK、聚苯硫醚等）表面特性不同，需不同表面制备策略。

Dillingham称，某些情况下热固性树脂受益于旨在提高复合表面化学反应性的表面膜。剥离剥离布后这些表面典型水接触角30°左右，通常可粘接。其他情况聚合物表面特别不活泼，水接触角50-60°，需表面处理以获良好粘附。

对热固性复材有效的另一表面处理技术是打磨，人工或喷砂。Dillingham称打磨有效因热固性基体树脂为脆性聚合物，打磨下实际断裂聚合物链创造化学活性表面，可与胶粘剂反应形成强稳定界面。视热固性聚合物化学成分，打磨可降水接触角10°或更多，足以获良好粘接。

但热塑性聚合物行为不同。因聚合物链未被交联锁定刚性网络，Dillingham称它们倾向流动——即塑性变形——而非断裂。打磨后热塑性复材虽粗糙但化学惰性仍存，无法与胶粘剂、涂层或密封剂建立良好粘结。此外水接触角随打磨一般无显著变化。对热塑性复材，等离子处理可为提高表面能的有效方法。上图显示PEKK用Solvay 377S膜胶粘接的搭接接头强度（纵轴）对接触角（横轴）关系。数据显示溶剂擦拭、手工打磨、喷砂均未提升接头强度，而等离子处理强度增>30%。等离子处理样品在胶层内内聚破坏，其余样品至少部分在胶粘剂-基材界面破坏。

Dillingham总结：大多数结构材料间均可实现适合结构用途的强可靠胶粘结合。但对某类材料有效的表面处理未必适用另一类；表面处理须结合基材和胶粘剂具体化学特性工程化设计。多数热塑性复材应用需比热固性复材更高程度提高表面能，故表面处理应区别对待。结合表面处理与适当测量控制策略，确保表面处理有效可靠。