2塑件表面張力改變案例

塑件表面張力改變是根據(jù)使用情況進(jìn)行選擇。目前對低表面能材料或工程塑料進(jìn)行二次加工時(shí)，處理表面以改變表面張力特性，從而獲得較好地黏附力，通過表面上噴底漆涂料、等離子處理、火焰處理等方法改變產(chǎn)品的表面張力。

2.1真空鍍鋁噴底漆獲得好的鋁層附著力

真空鍍鋁是對塑料表面二次加工方法之一，鍍鋁廣泛應(yīng)用于車燈領(lǐng)域。車燈應(yīng)用工程塑料有聚碳酸酯（PC）、改性聚丙烯（PP-T2）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯組成的三元共聚物（ABS）等。PC屬于極性高分子，表面濕張力在46 mN/m，與鍍鋁層結(jié)合力很好，不做處理，即在基材上直接鍍鋁和保護(hù)膜。

PP-T20和ABS表面張力都是較低，與鍍鋁層結(jié)合力較差，通過噴涂底漆獲得較好地表面張力，提高附著力。如圖3(a)所示為ABS材料加工汽車后霧燈體，ABS表面張力為34～38 mN/m，ABS是三元共聚物，內(nèi)在的成分比例有些差異，表面張力是個(gè)范圍值，可噴涂底漆（涂料低聚物環(huán)氧丙烯酸酯）改善ABS表面張力。

圖3噴涂底漆鍍鋁件示意圖

真空鍍鋁附著力檢測是一項(xiàng)重要指標(biāo)，依據(jù)GB/T 28786—2012《真空技術(shù)真空鍍膜層結(jié)合強(qiáng)度測量方法膠帶黏貼法》。附著力檢測是基本項(xiàng)目，用小刀在鍍鋁試驗(yàn)面刻劃100個(gè)間隔為1 mm的小方格，用3M膠帶緊牢地黏貼其面，從垂直方向迅速撕開膠帶，觀察膠帶上有無剝落的金屬膜。目測無法觀察清楚時(shí)可用10倍顯微鏡觀察，無金屬鍍層剝落等不良現(xiàn)象為合格。ABS未經(jīng)噴涂底漆，附著力檢測會有不同程度的金屬鍍層剝落等。PP-T20后燈燈體處理同ABS霧燈體方法相同，如圖3(b)所示。

2.2蓄電池槽電暈處理獲得好的油印黏附力

蓄電池塑殼起源20世紀(jì)80年代末。汽車干荷起動型和免維護(hù)、少維護(hù)起動型蓄電池外殼由蓋子和槽子組成（下簡稱蓋或槽）用料是共聚級聚丙烯。PP耐熱性能好，長期耐溫100℃左右，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿和有機(jī)溶劑，電絕緣性能優(yōu)良，制品不易變形。蓋與槽裝配連接用熱封黏接強(qiáng)度高。電池槽兩個(gè)正表面要絲網(wǎng)印字，蓄電池生產(chǎn)廠家商標(biāo)，規(guī)格，加液液面線等需要讓用戶知道，如圖4所示。

圖4蓄電池槽印字與絲網(wǎng)油印示意圖

電池槽絲網(wǎng)印刷為塑料件二次加工，用于外觀裝飾。PP結(jié)晶度較高、表面張力低的非極性分子材料，其表面張力31～33 mN/m，印刷前應(yīng)極性表面處理改善油墨附著力。其方法機(jī)械法（噴砂及磨毛）；物理法（火焰、電暈、高能輻射）；化學(xué)法（表面氧化、接枝、置換及交聯(lián)）等。針對電池槽特點(diǎn)，采用火焰或電暈處理提高表面張力[20]。

火焰處理法是用強(qiáng)氧化焰使塑料表面氧化的過程，用于提高PP印刷和黏接特性等。一般要求表面張力值達(dá)到41 mN/m，PP材料本身表面張力無法滿足，火焰處理后表面張力達(dá)48 mN/m?；鹧嫣幚砀淖兤浔砻鎻埩商岣吖ぜ罄m(xù)絲印質(zhì)量[21]。

火焰處理時(shí)高溫下塑料表面大分子發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生極性基團(tuán)，還對表面分子聚集的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生影響，使水基覆蓋膜附著在塑料表面上。一般用自制天然氣噴燈，形成溫度高達(dá)1 000～1 800℃的氧化火焰，來達(dá)到瞬間改變薄膜表面性能的目的，在處理中火焰溫度、火焰與薄膜之間的距離和處理時(shí)間是影響處理效果的重要因素。火焰處理是人為操作，按一定軌跡火焰頭在電池槽表面上20 cm距離處進(jìn)行移動，使火焰的外延接觸塑料表面瞬間達(dá)到1 000℃的高溫，電池槽處理后在30 min內(nèi)完成絲印效果較好。

電暈處理（又稱電火花處理）是將高壓（2～100 Kv）、高頻（2～20 kHz）電施加于電極上，在兩電極間產(chǎn)生電暈放電，以產(chǎn)生大量的等離子氣體及臭氧，這些等離子氣體和臭氧與塑料表面作用，達(dá)到改變表面張力的目的。電池槽表面經(jīng)過電暈處理后，使表面產(chǎn)生游離基反應(yīng)而使聚合物發(fā)生交聯(lián).表面變粗糙并增加其對極性溶劑的潤濕性，離子體由電擊和滲透進(jìn)入被印體的表面破壞其分子結(jié)構(gòu)，將被處理的表面分子氧化和極化，離子電擊侵蝕表面，表面由光滑變得粗糙并存在著大量細(xì)小的空隙。絲印油墨涂在電池槽表面的空隙內(nèi)，固化后被機(jī)械地鑲嵌在孔隙中，形成許多微小的機(jī)械聯(lián)接點(diǎn)，提高了油墨黏接力和絲印表面附著能力。電池槽電暈處理表面后張力顯著提高，但張力不穩(wěn)定，放置時(shí)間增長表面張力呈指數(shù)規(guī)律下降，應(yīng)在處理后及時(shí)印字。

油墨是絲網(wǎng)印刷中重要的材料，電池槽絲網(wǎng)油墨是專用聚丙烯油墨，對電池槽表面處理好再用油墨印刷。上世紀(jì)90年代中期，油墨廠家研制出免處理油墨，不需對電池槽表面處理，只需對電池槽用汽油對表面進(jìn)行擦拭（脫脂處理）達(dá)到絲印效果。

油墨與電池槽表面附著力檢查方法參照國家GB/T9286—1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)，用小刀在試驗(yàn)面刻劃100個(gè)間隔為1 mm的小方格，切割劃透至底材面，用黏附力350～400 g/cm2膠帶（可用3M Scotch膠帶），牢牢的黏住被測試的小方格，用手按住膠紙的另一端，以60°方向迅速拉下膠紙。切削邊緣刀口處平整，無油墨黏在膠紙上為合格，與鍍鋁百格試驗(yàn)類同。也有根據(jù)需要不做百格，直接用3M膠帶試驗(yàn)。

耐酸性是電池酸液流在絲印油墨上不發(fā)生溶解，檢查其附著力采用濕擦法，用電池酸液在絲印字表面上進(jìn)行濕擦，濕擦次數(shù)在20次以上印字有無變樣；還有在印字表面涂覆酸液，放在40～50℃溫度烘箱里烘10 min印字有無變樣。

2.3塑料件表面處理獲得好的黏接力

塑料之間（含與其他材料）黏接是塑件二次加工中必不可少的環(huán)節(jié)。聚合物之間（含與非金屬或金屬之間）黏接等都存在聚合物基料與不同材料之間界面黏接問題。黏接是不同材料界面間接觸后相互作用的結(jié)果，靠分子間吸引力而黏接?xùn)|西。被黏物與黏料的界面張力、表面自由能、界面間反應(yīng)等都影響?zhàn)そ?。黏接不同于涂層和印刷，是綜合性強(qiáng)，影響因素復(fù)雜的一類技術(shù)，目前行業(yè)界有吸附理論、化學(xué)鍵形成理論、弱界層理論、擴(kuò)散理論、靜電理論、機(jī)械作用力理論等從各個(gè)層面詮釋黏接原理。

為達(dá)到良好的黏接，吸附理論有兩個(gè)條件滿足。一是黏接劑要能很好的潤濕被黏物表面；液體黏接劑向被黏表面擴(kuò)散，逐漸潤濕被黏物表面并滲入表面微孔中，由點(diǎn)接觸變成面接觸。二是黏接劑與被黏物之間有較強(qiáng)的相互作用力；產(chǎn)生吸附作用形成次價(jià)鍵或主價(jià)鍵。從圖5中看出與圖2(a)同理，表面張力大，潤濕能力差，表面張力小，潤濕能力好。聚合物是表面張力小容易浸潤黏合界面附著力好，表面張力大會讓膠水呈蠟滴狀圓球不擴(kuò)散，溶劑膠水一般因溶劑在25～35 mN/m之間不需調(diào)張力夠小。

圖5表面張力與潤濕性能關(guān)系示意圖（網(wǎng)圖，侵刪）

液態(tài)硅膠（又稱液體硅膠，簡稱LSR，Liquid Silicon Rubber）是相對固體高溫硫化硅橡膠來說其為液體膠。液態(tài)硅膠以聚有機(jī)硅氧烷線型高分子材料，添加某些成分，再按嚴(yán)格的工藝要求，加工制成具有一定抗拉撕強(qiáng)度的液體膠。液態(tài)硅膠具有較強(qiáng)的耐高低溫、耐酸堿、耐老化、耐氧化、高透明度、疏水性、柔軟性、透過性、生理惰性等特性，其更安全環(huán)保、可完全達(dá)到食品級的特點(diǎn)。廣泛用于電子，消費(fèi)性產(chǎn)品，嬰幼兒用品（奶嘴），醫(yī)療用品及電子產(chǎn)品（按鍵）等。圖6所示。

圖6液態(tài)硅膠所做的產(chǎn)品示意圖（網(wǎng)圖，侵刪）

注射成型液體硅橡膠（LSR）全名為注射成型液體硅橡膠，硫化設(shè)備為硅膠注射機(jī)，與注塑不同。液體硅膠制品加工設(shè)備有射出機(jī)、壓料機(jī)。原料是水稠狀，分A、B兩組分。利用壓料機(jī)把A、B組分的原料按照合適比例混合均勻后壓到射出機(jī)的料筒里混合，通過射嘴再把它壓進(jìn)熱模具型腔成型。

智能穿戴產(chǎn)品中LSR與PA黏接較多，LSR的主鏈?zhǔn)秩犴?，其分子間作用力比碳?xì)浠衔镆醯枚?，比同分子量的碳?xì)浠衔镳ざ鹊?，表面張力弱。PA屬于極性分子材料，其表面張力為46 mN/m。LSR與PA黏接方法用硅膠黏接底涂劑是G790，它是反應(yīng)性硅氧烷和硅烷在有機(jī)溶劑中的溶液。G790不含甲苯和其他芳香族溶劑。底漆組合物可以這樣或稀釋地應(yīng)用于基材。在溶劑蒸發(fā)過程中，在環(huán)境溫度下暴露于大氣濕度時(shí)，形成一層堅(jiān)硬的底漆膜，牢固地附著在基材上。在引物基板上應(yīng)用硅橡膠和隨后的硫化將導(dǎo)致硅橡膠與基板之間的緊密結(jié)合，這種沒有膠黏劑的LSR與塑件黏接是靠底涂劑來實(shí)現(xiàn)。還有將尼龍表面處理好，將硅膠黏接劑CL-24S-15用刷涂或浸漬法或噴涂法均勻的涂到尼龍待黏黏接面，將涂CL-24S-15的尼龍經(jīng)過110～130℃烘烤15～20 min，將未硫化硅膠與尼龍高溫壓鑄或熱空氣硫化黏接。上述底涂劑和黏接劑都有改變聚合物表面張力作用，有較好地黏接力。

市場還有自黏接LSR，不需要使用底涂就能與多數(shù)基材有良好的黏接性[34]。這不僅解決了使用底涂的缺點(diǎn)，而且加大了LSR和其他素材的復(fù)合部件研發(fā)與生產(chǎn)。以往傳統(tǒng)工藝分別加工零件，兩者黏結(jié)面涂上黏接劑后再組裝。使用自黏接LSR采用LSR-PA共成型加工，把先加LSR件放模內(nèi)進(jìn)行PA注塑，所有黏結(jié)問題得到解決[35]。自黏接LSR在汽車行業(yè)及其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Wacker公司開發(fā)自黏接液體硅橡膠Elastosil LR347，其在極短時(shí)間內(nèi)充分硫化，具有特別高的撕裂強(qiáng)度。即便不涂底層能與橡膠，塑料，金屬和玻璃都有極好的黏接性，是制作復(fù)合制品較理想的材料，已經(jīng)用于食品接觸的家庭用品，嬰兒用品和衛(wèi)生保健品等。

等離子法技術(shù)是利用等離子體高能轟擊、活化反應(yīng)等物理化學(xué)方法，將污染物從工件上剝離去除的一種工藝方法。起到表面有機(jī)物除去，有機(jī)物除去后表面活性化。用等離子法處理PP、PE、聚四氟乙烯等難黏接材料的黏接強(qiáng)度大大提高。經(jīng)處理后接觸角降低，表面張力改變，增加黏接劑對其浸潤和黏接力。如表1所示。等離子法處理需要投入處理設(shè)備，要根據(jù)實(shí)際需要選擇。

表1部分材料等離子處理前后對比表

檢查黏接材料與黏接是通過試驗(yàn)方法檢測。試驗(yàn)?zāi)軠y定膠黏劑本身強(qiáng)度，還能評價(jià)黏接技術(shù)、表面清潔、表面處理的有效性、膠層厚度和固化條件等問題。主要性能有拉伸、剪切、剝離、彎曲、沖擊和劈裂強(qiáng)度和耐久性、疲勞、耐環(huán)境性和傳導(dǎo)性等。拉伸試驗(yàn)是負(fù)荷作用垂直于膠層平面并通過黏接面中心的試驗(yàn)。ASTM D897黏接接頭拉伸強(qiáng)度測試方法是保留在ASTM中有關(guān)膠黏劑最古老的方法之一。拉伸試驗(yàn)是評價(jià)膠黏劑最普通的試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是能得到最基本數(shù)據(jù)，拉伸應(yīng)變、彈性模量和拉伸強(qiáng)度。

剪切應(yīng)力是平行于黏接面所產(chǎn)生的應(yīng)力。所用的剪切試驗(yàn)方法，除了ASTM D1002之外，還有ASTM D3163，它與ASTM D1002相比，構(gòu)形幾乎相同，只是厚度不同。該方法解決了膠黏劑易從邊緣擠出來的問題。ASTM D3165（層壓復(fù)合的膠黏劑們拉伸剪切強(qiáng)度測試方法）說明了如何制備試件來測定夾層結(jié)構(gòu)的拉伸剪切強(qiáng)度。

剝離試驗(yàn)用于測定柔韌性膠黏劑承受局部應(yīng)力集中的能力。剝離力被認(rèn)為是作用在一條線上，即是線受力。被黏物越柔軟，膠黏劑模量越高，則面受力就越趨于線受力，應(yīng)力就很大。膠黏劑的剝離強(qiáng)度與膠層厚度有關(guān)，隨著膠層厚度增加，膠黏劑因其彈性變形，而使黏接面積增大，所以剝離強(qiáng)度相對也要高一些。ASTM D3167是測定膠黏劑浮輥剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)。ASTM D903是黏接接頭的剝離或撕裂強(qiáng)度的測定方法。

3結(jié)束語

聚合物的涂層、印刷、黏接等是塑料件二次加工必不可少的工藝，通過涂層、印刷、黏接等拓展塑料件應(yīng)用范圍，給人們應(yīng)用塑料帶來極大的方便，增加產(chǎn)品的美觀度。聚合物表面張力與聚合物本身材質(zhì)有著緊密的關(guān)系，通過測量表面張力，對表面張力不適的聚合物進(jìn)行一系列的改進(jìn)，達(dá)到改變其表面張力，為塑料件二次加工服務(wù)。對二次加工后產(chǎn)品的檢測是重要環(huán)節(jié)，檢測目的則是驗(yàn)證涂層、印刷、黏接的實(shí)際效果，也間接驗(yàn)證表面張力改變情況。目前聚合物表面張力改變操作和檢測多數(shù)采用人工操作為主，隨著科技進(jìn)步，期待有智能化操作或先進(jìn)材料涌現(xiàn)，促進(jìn)涂層、印刷、黏接的廣泛使用。