CRF誠峯智造:難粘塑料表面低溫等離子處理

難粘塑料主要是指聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烴和聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙丙烯(FEP)等含氟類塑料。這類塑料通常具有其它高分子材料所不具有的優點,如PE等聚烯烴類塑料成本低廉、性能優良,易於加工成各種型材,所以被廣泛地應用於日常生活中;而PTFE俗稱塑料王,是綜合性能非常優良的塑料,有極好的耐熱、耐寒和耐化學腐蝕性,被廣泛應用於電子行業及一些尖端領域。但是,由於難粘塑料表面呈化學惰性,若不經特殊的表面處理很難用通用膠粘劑進行粘接。

解決方案

1、 難粘的原因

1.1 表面能低和潤溼能力差

任何材料表面與膠粘劑之間形成粘接狀態的基本條件是必須形成熱力學的黏附狀態。它取決於材料表面與膠粘劑之間的潤溼程度(接觸角θ)、被粘材料表面張力(yl)、膠粘劑表面張力(yL)及被粘材料與膠粘劑間的表面張力,其關係可用Young公式表示r”(yS=TSL+TLCOSθ);熱力學黏附功(W)與表面張力的關係為W=TS+TL-TSL=TL(1+COSθ)。由此可知潤溼性是粘接的首要條件,而難粘塑料的表面能都比較低,因而其潤溼能力都較差。表1是幾種難粘塑料的表面特徵數據。

水對難粘塑料的接觸角都比較大,表面張力小,接著能低,所以潤溼能力差,粘接能力也差。

1.2 結晶度高

難粘塑料分子鏈結構規整,結晶度較高,化學穩定性好,它們的溶脹和溶解都比非結晶高分子困難,當與溶劑型膠粘劑粘接時,很難發生高聚物分子鏈的擴散和相互纏結,不能形成很強的黏附力。

1.3分子鏈呈非極性

PE分子鏈不帶任何極性基團,是非極性高分子;PP分子結構單元中有-CH3,但-CH3是非常弱的極性基團,所以PP基本上屬於非極性高分子;PTFE等氟塑料,因結構高度對稱,也屬非極性高分子。膠粘劑吸附在這些難粘塑料表面只能形成較弱的色散力,而缺少取向力和誘導力,因而黏附性能較差。

1.3 存在較弱的邊界層

難粘塑料難粘除了結構上的原因外;還在於材料表面存在弱的邊界層。這種弱的邊界層來自聚合物本身的低分子成分,聚合加工過程中所加入的各種助劑,以及加工和儲運過程中所帶人的雜質等。這類小分子物質極容易析出、彙集於塑料表面,形成強度很低的薄弱界面層,這種弱邊界層的存在大大降低了塑料的粘接強度。

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2、難粘塑料表面處理的途徑

目前,提高難粘塑料的粘接性能主要通過對材料表面進行處理和研究開發新型膠粘劑來實現。其中對難粘塑料表面進行處理主要有以下幾種途徑:①在難粘塑料表面的分子鏈上導人極性基團;②提高材料的表面能;③提高製品表面的粗糙度;④降低或消除製品表面的弱界面層。難粘塑料的表面處理方法有化學處理法、高溫熔融法、氣體熱氧化法、輻射接枝法、ArF激光法及低溫等離子體法等,其中低溫等離子體法是近年來發展較快的材料表面處理方法。

3、等離子體表面處理的研究現狀

3.1 等離子體的特徵

等離子體是由電子、正離子和中性粒子(包括所有不帶電的粒子,如原子、分子和原子團等)所組成,對外界呈電中性的電離氣體。等離子體被稱為除固態、液態和氣態外,物質存在的第四態。實際上,在熱力學溫度不為零的任何氣體中,都有一定量的原子會發生電離。但只有當大量的原子發生電離,且帶電粒子密度足夠大時,才會對其性質產生明顯影響。通常,將等離子體中的電子、正離子和中性粒子的密度假定為ne、ni和na,由等離子體對外呈電中性可知ne*ni。因此,可以用電離度r/=n(ni+n。)來衡量等離子體的電離度。通常把r/<0.1%的電離氣體稱為弱電離氣體或低溫等離子體;r/>1%的電離氣體稱為強電離氣體或高溫等離子體;0.1%≤r≤1%的電離氣體稱為中溫等離子體。高溫等離子體主要應用於受控核聚變;中低溫等離子體用於切割、焊接、噴塗以及製造各種新型的電光源與顯示器等;低溫等離子體主要用於表面聚合和材料的表面改性等。

3.2 低溫等離子體表面處理原理

低溫等離子體是低氣壓放電(輝光、電暈、高頻和微波等)產生的電離氣體,在電場作用下,氣體中的自由電子從電場獲得能量成為高能量電子。這些高能量電子與氣體中的分子、原子碰撞,如果電子的能量大於分子或原子的激發能就會產生激發分子或激發原子自由基、離子和具有不同能量的輻射線,低溫等離子體中的活性粒子(可以是化學活性氣體、惰性氣體或金屬元素氣體)具有的能量一般都接近或超過C-C鍵或其它含C鍵的鍵能通過離子轟擊或注入聚合物的表面,產生斷鍵或引入官能團,使表面活性化以達到改性的目的。

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3.3 低溫等離子體表面處理的主要形式

3.3.1 表面刻蝕

在等離子體的作用下,材料表面的一些化學鍵發生斷裂,形成小分子產物或被氧化成CO、CO:等,這些產物被抽氣過程抽走,使材料表面變得凹凸不平,粗糙度增加。

3.3.2 表面活化

在等離子體作用下,難粘塑料表面出現部分活性原子、自由基和不飽和鍵,這些活性基團與等離子體中的活性粒子接觸會反應生成新的活性基團。但是,帶有活性基團的材料會受到氧的作用或分子鏈段運動的影響,使表面活性基團消失,因此經等離子體處理的材料表面活性具有一定的時效性。

3.3.3 表面接枝

在等離子體對材料表面改性中,由於等離子體中活性粒子對錶面分子的作用,使表面分子鏈斷裂產生新的自由基、雙鍵等活性基團,隨之發生表面交聯、接枝等反應。

3.3.4表面聚合

在使用有機氟、有機硅或有機金屬等作為等離子體活性氣體時,會在材料表面聚合產生一層沉積層,沉積層的存在有利於提高材料表面的粘接能力。在低溫等離子體對難粘塑料進行處理時,以上四種作用形式會同時出現。因此,可以根據低溫等離子體所使用的氣體,將其分為反應型低溫等離子體和非反應型低溫等離子。