聚乙烯木塑复合材料的射流等离子体处理与胶接

发布时间：2020-06-05 11:48

【摘要】：聚乙烯木塑复合材料作为新一代的节能环保材料,广泛用于国民经济的各个领域。聚乙烯木塑复合材料中低表面能、非极性的聚乙烯成分使得这类材料难以胶接,只有在胶接前对木塑复合材料进行表面处理才能实现胶接进行的无缝连接。论文选取射流等离子体放电对聚乙烯木塑复合材料进行表面处理,通过优化射流等离子体处理气氛及时间以期在木塑复合材料表面产生可以与胶黏剂发生化学反应的基团,进而实现具有较好胶接性能的胶接接头。论文借助于吸水率测试、胶接强度测试、表面形貌观察、表面接触角分析、傅里叶红外光谱分析(FTIR)及X射线光电子能谱分析(XPS)等手段,系统研究了射流等离子体处理时间、处理气氛对PE-WPC材料表面性质和胶接性能的影响,解析了射流等离子体处理对PE-WPC表面的作用机制以及射流等离子体处理聚乙烯木塑复合材料胶接接头的耐水失效机制。射流等离子体处理工艺的优化结果表明,氮气射流等离子体放电处理可以在材料表面引入大量的含氧、含氮基团,显著改善材料的表面极性和表面润湿性能,进而大幅提升聚乙烯木塑复合材料的胶接强度。在试验的处理时间范围内,材料表面性质随处理时间的延长而呈周期性变化,这种改变主要源于氮气射流等离子体的物理刻蚀作用。不同气氛射流等离子体对木塑复合材料表面处理的研究表明,氮气气氛射流等离子体对PE-WPC表面处理效果最佳,引入有效的氮、氧基团量最高,表面接触角值最低,润湿性最好,胶接试样的胶接强度和耐水性在三者之中最好;氧气气氛处理引入的极性基团含量其次,但刻蚀程度最高,胶接强度和耐水性居中;空气则是因为表面引入的有效氮、氧基团量较少,因而表面接触角数值较高,润湿性能较差,胶接试样的胶接强度以及耐水性在三者之中最低。不同气氛的射流等离子体在处理过程中所占据的主导作用不同,氧气气氛以氧化刻蚀为主,而氮气气氛则是化学改性作为主导,空气气氛则较弱的结合了以上两种作用效果。通过解析氮气射流等离子体处理对PE-WPC材料表面的作用机制可知,射流等离子体对PE-WPC材料表面的化学改性主要是在通过活性粒子在PE组分引入较多的HN-C=O/C=O基团,同时等离子体束流的氧化刻蚀作用去掉材料表面部分聚乙烯成分暴露出内部的木质成分,并经活性粒子的氧化作用引入更多-OH、-COOH、-NH等基团,这些极性含氧、含氮基团的引入,可以促使木塑复合材料表面与胶黏剂发生反应形成化学键接,从而大幅提高胶接性能。聚乙烯木塑复合材料胶接接头的耐水试验结果表明,不同气氛射流等离子体处理的聚乙烯木塑复合材料胶接接头之间耐水性能各异,其中氮气气氛处理因表面产生较多的极性氮、氧基团,进而在胶接过程中与胶黏剂形成较多有效的化学键合,故耐水性最好。环氧树脂胶黏剂具有一定的耐水性能并且与处理材料表面引入的极性基团形成了较强的界面结合力,故而使用其胶接的试样耐水性能较好;而反应型聚氨酯热熔胶可与水分子发生后固化反应,尽管长时间水浸后的胶接耐水性能不如环氧树脂,但其胶接速度快,可以实现木塑复合材料的快速胶接。氮气射流等离子体处理的木塑复合材料试样极端水浸试验结果表明,氮气射流等离子体处理的PE-WPC材料表面在水浸过程中表面性质发生了改变,这种水环境下胶接界面的性质改变也是胶接接头耐久失效的主要原因。聚乙烯木塑复合材料胶接接头水环境下的耐久失效主要源自水分子对胶接界面上化学结合键的水解破坏导致的界面结合力降低以及木质成分的不断吸水膨胀而在胶接界面所导致的裂纹及内应力。
【图文】：

图１－２射流等离子体喷射装置的示意图［４（）］逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｊｅｔ邋ｐｌａｓｍａ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｄｅｖｉｃｅ［４０］逡逑子体技术在表面改性中的应用研究逡逑子体技术的迅猛发展，近年来有关等离子体技术的应用领域遍及人

Ｆｉｇ．２－１邋Ｔｈｅ邋ｓｈａｐｅ邋ａｎｄ邋ｓｉｚｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｂｏｎｄｉｎｇ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ邋（Ｕｎｉｔ：邋ｍｍ）逡逑别为两种不同胶黏剂制备胶接接头的工艺：逡逑环氧树脂（Ｅ－５１）和工业聚酰胺固化剂（２００＃）按重量比１：１混合试样表面，然后进行两两搭接，采用专用夹具固定，胶接ｉｎ，将其置于常温固化２４ｈ后再于５０°Ｃ下后固化４ｈ，以备待用。逡逑处理前后的试样在１２０？１４０°Ｃ烘箱中预热５ｍｉｎ，然后将反应型０°Ｃ烘箱中加热４０？６０ｍｉｎ熔融后快速均匀涂覆在试样表面，然后专用夹具固定，胶接面积为２５ｍｍｘ２０ｍｍ，将其置于室温下以备待用征逡逑强度测试逡逑环境下参照国家标准ＧＢ－Ｔ１７５１７－１９９８，采用ＣＭＴ－５５０４型万能力思公司）对不同处理条件下的胶接试样进行压缩剪切强度测试。测ｍｍ／ｍｉｎ，载荷能力为５０ｋＮ，记录胶接试样被切断的最大剪切力（公式ｘ＝Ｐ／ＢＬ计算剪切强度，其中ｔ为剪切强度，单位ＭＰａ；邋Ｐ
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;O53

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本文编号：2698006