等离子表面处理对氟橡胶粘合性能的影响

向 宇, 肖风亮, 谭 锋

（1. 广州机械科学研究院有限公司, 广东 广州 510700; 2.国家橡塑密封工程技术中心, 广东 广州 510700）

等离子表面处理对氟橡胶粘合性能的影响

向 宇1,2, 肖风亮1,2, 谭 锋1,2

（1. 广州机械科学研究院有限公司, 广东 广州 510700; 2.国家橡塑密封工程技术中心, 广东 广州 510700）

研究了等离子处理对氟橡胶表面能、硫化氟橡胶与硫化氟橡胶之间的粘合性能、氟橡胶与金属之间的粘合性能、硫化氟橡胶与金属之间的粘合性能的影响，证明了等离子处理对氟橡胶的粘合性能是有促进作用的。

等离子；氟橡胶；表面能；粘合

0 前 言

等离子体是一种电离度超过0.1%的气体，是由离子、电子和中性粒子（原子和分子）所组成的集合体。等离子体整体呈中性，但含有相当数量的电子和离子，表现出相应的电磁学等性能，如等离子体中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体有别于固体、液体、气体三态物质，是宇宙中最广泛存在的物质状态，称为物质的第四态。

等离子体含有各类活性粒子，如离子、电子、自由基、激发分子、紫外光等。当材料表面暴露于等离子体中时，就会引起表面的一系列反应，引起材料表面的物理形貌和化学结构的变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘接性、可染色性、生物相容性及电性能分別得到改善，从而提高材料的表面性能，但材料的基本性能基本上不受影响。

目前，利用等离子处理物体表面改性的应用越来越多，本文将简述常压大气低温等离子处理对氟橡胶粘合性能的影响。

1 实 验

1.1 实验样品制备

1.2 实验设备与仪器

射流旋转等离子处理机，PTF-1000，深圳市奥坤鑫科技有限公司；Plasmatreat Test Ink，C型，普思玛等离子处理设备有限公司；XK-160型开炼机，佰弘（上海）机械有限公司；25 t平板硫化机, 上海橡胶机械厂生产；德国Zwick电子万能试验机，德国Zwick公司生产。

1.3 性能测试

材料表面能测量，用标准液体（墨水）法（Test Ink），测试物体表面能，其测试步骤如下：

（1）使用安装在瓶盖上的笔刷迅速将测试墨水涂刷在表面上；

（2）如果用笔刷涂刷上的墨条边缘在2 s时间内保持不变（表面润湿性良好），则基材的表面能至少与测试墨水的值相当；

下呼吸道感染就是肺炎，要警惕肺炎，肺炎并不可怕，也不是非要输液，绝大多数的肺炎也是病毒性的，完全没必要使用抗生素。就算使用抗生素，口服吸收也是很有效的。

（3）如果墨条边缘向内收缩，则应使用低一级的测试墨水继续进行测试（如图1所示）；

图1 墨条浸润情况

（4）使用各种等级的测试墨水反复进行测试之后，即可逐步接近被测材料的表面能值；

（5）尚可使表面湿润的墨水读数即为所得出的表面能，再用高一级表面能等级的测试墨水进行测试时，表面应该不被湿润。

其余各项性能均按照国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 氟橡胶表面能

按照1.3中测试表面能的方法对氟橡胶表面能进行测试，分别测试经过等离子处理前后及处理后10 min、30 min、1 h、1 d后的表面能变化情况，具体数值如表1所示。

表1 氟橡胶表面能变化

从表1及图2中可以看出，氟橡胶试片在未处理之前的表面能都是比较低的。处理后的试片表面能都有明显增加。经过停放，FKM试片表面能有小幅下降，1 d以后约下降20%，但仍有50 mN/m。根据传统理论的经验，只有当表面能大于38～42 mN/m才可能有良好的附着。所以，理论上处理后应该能得到良好的粘合。

2.2 氟橡胶之间的粘合

图2 氟橡胶表面能变化

为了验证等离子处理对硫化橡胶粘合性能的影响，将已硫化的氟橡胶试片从中间剪断，并剪去一截，加上一小截未硫化橡胶，再次模压硫化成试片。测试试片的拉断强度（见表2）。

表2 试片接头性能对比

由表2数据可以看出，二段硫化前等离子处理过的氟橡胶试片比没经过处理的拉伸强度有明显提高，强度和伸长率几乎是其两倍，但是与原试片强度和伸长率都有一定的差距。经过200 ℃×16 h常规二段硫化后，接头的试片强度和伸长率都有所提高，经过等离子处理的试片强度和伸长率接近原试片，未处理试片与经过处理的试片相比，强度和伸长率还是有一定差距的。经观察断口，都是在接头位置被拉断。这表明等离子处理对硫化后的氟橡胶粘合效果有一定的改善作用，且接头后的试片一定要经过二段硫化，才可明显提高粘合部位的抗拉强度。

2.3 氟橡胶与金属的粘合

经测试，光滑的钢片表面能数据如表3所示。

由图4、5可知，钢片在处理前表面能很低，不容易被浸润，对粘合不利。经等离子处理后，表面能攀升到68 mN/m，并在1 d内保持在这个比较高的水平上，但经过带有溶剂的棉布用力擦洗后，表面能又降回到较低水平。有1 d以上的适用期，可以满足工业化生产需要，在实际操作过程中需注意不能过多接触和擦拭处理过的表面，以免影响处理效果。

表3 钢片表面能变化

图3 钢片表面能变化图

将不抛丸等离子处理的、抛丸等离子处理的与目前常规处理方法（抛丸，但不做等离子处理）处理的进行对比，与氟橡胶进行粘合，做180°剥离试验，具体数据如表4所示。

从表4的数据可以看出，原处理工艺与等离子处理后的效果有一定的差距，是否抛丸对等离子处理后的粘合效果数据表现不明显。等离子处理能在一定程度上提高金属与橡胶之间的粘合强度。但总体来说，粘合强度提升并不算太高，主要还是期望能提高粘合稳定性。从浸润理论来讲，这是可行且可靠的。

图4 已抛丸未处理钢片液体浸润情况

图5 已抛丸处理后的钢片液体浸润情况

表4 粘合强度数据

将硫化后的胶条进行等离子表面处理，与按正常生产工艺处理的、涂好胶粘剂的骨架（抛丸后超声波清洗，然后涂覆胶粘剂）进行粘合硫化，并做180°剥离。采用未处理的胶条制备同样的试样作为对比样。其剥离图像如图6所示。

图6 硫化橡胶与骨架粘合-剥离图

从图6可以看出，经过等离子处理的硫化胶条与涂有胶粘剂的钢骨架之间的粘合强度明显比没有处理的要高，且曲线较平滑。从剥离面的表面看，经过处理的胶条剥离后骨架表面粗糙，呈胶绒状，即骨架表面还有一层薄的橡胶附着，实质为橡胶内部破坏，可以视作橡胶与骨架良好粘合。而未经过处理的胶条，剥离表面发亮，呈树脂固化后的表面状，为胶粘剂自身固化，其破坏形式为层间破坏，并未与橡胶良好粘合。

从上述图表数据可以看出，经过常压等离子处理的橡胶表面能有大幅提高，对硫化橡胶与硫化橡胶、硫化橡胶与金属之间的粘合都有一定的促进作用。这是因为等离子体处理是将材料暴露在非聚合性气体的等离子体中，利用等离子体轰击材料表面，引起高分子材料表面结构的许多变化，从而对高分子材料进行表面改性。等离子体粒子的能量一般为几到几十个电子伏特（eV），而氟橡胶中常见的化学键键能C-H为4.3 eV、C-F为4.4 eV、C-C为3.4 eV，由此可见，等离子体中绝大多数粒子能量都略高于这些化学键的键能，这表明等离子体是有足够的能量引起橡胶表面的化学键断裂并重新组合的。等离子体处理橡胶表面利用的是空气中的氧气电离产生氧等离子体，氧等离子体中大量的O+、O-、O2+、O2-、O、O3、臭氧离子、亚稳态O2和自由电子等粒子与橡胶表面发生物理和化学作用，在氟橡胶表面产生大量的极性基团，使碳原子从C-H、C-F结合变为羰基、羟基和羧基等，从而增加表面能量，改变表面的化学特性，增强表面附着力、粘接力。

3 结 论

（1）常压空气等离子处理能有效提高氟橡胶表面能，可增加氟橡胶表面的可浸润性，有助于改善氟橡胶粘合性能。

（2）通过等离子处理，可以提高硫化氟橡胶之间的粘合强度，可应用于氟橡胶接头。

（3）通过对金属骨架进行等离子处理，可提高橡胶与金属之间的粘合效果；对硫化橡胶进行等离子处理，可提高硫化橡胶与金属之间的粘合效果。

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[责任编辑：朱 胤]

Effect of Plasma Surface Treatment on the Adhesion of Fluorine Rubber

Xiang Yu1,2, Xiao Fengliang1,2, Tan Feng1,2
(1. Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510700,China; 2. National Engineering Research Center of Rubber Seal, Guangzhou 510700,China)

This paper studies the effect of plasma treatment on the surface energу of fl uoroelastomer, adhesive properties between vulcanized fluoroelastomer, adhesive properties between fluoroelastomer and metal, adhesive properties between vulcanized fluoroelastomer and metal. Effect of plasma treatment on promoting adhesion of fluorine rubber was proved.

Plasma; Fluorine Rubber; Surface Energу; Adhesion

TQ333.93

B

1671-8232(2014)08-0009-04

2014-01-14

04专项：国家重大科技专项“大型数控冲压装备橡塑密封件关键技术研究及应用”资助（2013ZX04010021）。

向宇（1984 — ），湖南永州人，工程师，主要从事橡胶的材料和工艺研究。