等离子表面处理对橡胶表面亲水粘接性能的影响

橡胶是一种常见弹性高分子材料，具有优秀的机械性能，以及耐高温、耐油、耐腐蚀的特点，广泛应用于减振结构中。但橡胶因其表面能低、接触角大，粘接剂无法浸润，并存在弱边界层，造成其粘接困难，粘接强度低，影响了橡胶的使用范围。针对这种问题，工程上一般采用化学改性、机械改性和等离子体处理等方法进行表面处理，改变橡胶的表面形貌、物理结构、化学性能等，改善其粘接性能。等离子体处理是一种优秀的表面改性方法，广泛应用于各种材料的表面改性。其通过含有带电的正粒子和负粒子气体喷射被粘接面，其能量可通过辐射、中性粒子流和离子流的碰撞作用于被粘接面，从而产生自由基或与材料表面发生化学反应，同时，薄膜表面会发生刻蚀、聚合、交联等物理和化学变化。等离子体改性只对材料表面（通常从几至几百纳米）进行改性，并不影响材料本身的基体性能。
我们采用Ar、O2、空气3种气氛等离子处理橡胶试样表面，在相同处理功率和处理压强的条件下，改变处理时间，测试试样表面的静态接触角，表面能。图1是不同处理气氛下处理时间与橡胶表面接触角、表面能的关系。
等离子处理气氛与橡胶表面性能之间的关系
由图1可知，在一定功率及压强条件下，随着处理时间的增加，3种气氛LTP处理均可有效降低橡胶试样表面静态接触角，提高表面能，继续延长处理时间，接触角、表面能的变化趋势平缓，进一步延长处理时间，接触角小幅上升、表面能略有减小，说明等离子表面处理时间并不是越长越好，而是有相对理想的参数。这是因为低温等离子处理达到一定时间后，等离子体在材料表面引发的表面活性浓度趋于饱和，由于材料表面遵循能量平衡定律，部分表面活性基团会自发向能量较低的基体翻转，因此，材料表面能的提高是有限度的。
由图1可以看出：在相同的处理功率和气体压强下，Ar气氛处理对改善橡胶表面接触角和表面能的效果最明显，且空气气氛处理效果比O2气氛好。这是因为Ar是非聚合非反应性气体，其等离子体不能直接结合到橡胶材料表面的大分子链上，但这些高能等离子体轰击橡胶表面时会引发橡胶表面生成新的活性基团，这些活性基团会导致材料表面自由能和模量发生改变，且在材料表面形成致密的交联层。因此，Ar非聚合非反应性气体在改性材料表面时，主要产生交联、刻蚀、氧化3种作用。O2气氛与含氧气氛是非聚合性反应性气体，等离子体可直接通过辉光放电电离成自由基直接作用在材料表面，并进一步氧化生成含O的活性基团，这些活性基团在离开等离子体环境后一部分与空气中的O结合生成含氧基团(—CO—、—COO—、—OH—)，一部分由于发生相互作用从而使表面自由基浓度下降。而空气气氛中含有N2等非反应性气氛，这些气氛对材料表面改性的起到一定刻蚀效果。非聚合性反应性气体主要是通过氧化、刻蚀2种作用对材料表面进行改性的。
高分子材料的使用价值与其表面的形态、组成、结构紧密相关。在接触介质时，材料总是通过表面与环境相互作用，在介质中的材料性能变化也是从表面开始的。在实际应用中，聚合物表面存在大量的表面和界面问题，例如有弱边界层、表面能低、表面污染等影响粘接、染色，而等离子体表面改性作为一种干式处理工艺，效率高、对环境无污染且能对材料表面改性的同时不影响到材料的本体性质，通过等离子表面处理技术改性橡胶表面,等离子处理改善了橡胶表面的化学结构，经过等离子处理的橡胶表面的亲水性明显提高,而且橡胶试样与密封材料的黏结强度显著提高。24713