塑料等离子体表面处理
等离子体预处理提升聚合物附着力
等离子体表面预处理——特指“气相辉光放电”等离子体表面氧化——可解决低表面能塑料与胶粘剂、涂料、印刷油墨、油漆及密封剂之间的附着粘接难题。这些方法包括：电晕放电处理、大气等离子体、电气吹气等离子体、火焰等离子、Pyrosil、远程冷气体等离子体以及紫外线辐射臭氧。上述工艺均以能够产生“气体等离子体”为特征。在物理学领域，这些等离子体的生成机制各不相同，但对表面润湿性的影响相似。除等离子体处理外，还有其他高效方法，包括化学处理、氟氧化处理和机械处理。
为何塑料难以粘接？
塑料和复合材料难以粘接，原因在于其表面具有疏水性、非极性、化学惰性以及低表面能。附着力通过多种机制同时作用，包括机械互锁、分子扩散、静电相互作用、润湿、化学键合以及弱界面层的形成。所实现的粘接强度取决于两种材料的性能及粘接／连接工艺。为获得最佳附着力，胶粘剂（涂料、油墨或油漆）必须充分“润湿”待粘接的表面（被粘物）。
附着粘接是一个“工艺”，而不仅仅是一台机器。为理解各种等离子体预处理方法之间的差异，有必要澄清供应商出于营销目的有时使用的模糊术语。不同制造商的设备设计、功能性及等离子体纯度差异显著，对处理质量、产品性能和货架寿命均有重大影响。
SABREEN 集团率先为三维聚合物表面应用于军事电子器件的电晕等离子体预处理申请了专利（US505186，1991年）。SABREEN 在附着粘接、胶粘剂、表面科学化学、表面预处理、粘接工艺、粘接失效模式、分析测试、聚合物、成型操作及系统集成领域积累了逾40年的实践经验，确保粘接工艺的卓越可靠性。
附着粘接与等离子体预处理专家
- 审查每个工序——从成型到装配
- 评估多种等离子体预处理方案（设备现场测试）
- 精准测量关键工艺参数——符合 ASTM 标准
- 接触角、表面能
- 洗碗机测试
- 附着力、内聚力、失效模式
- 固化与仪表分析
- Taber 耐磨测试、划痕／划伤
- 涂层湿／干厚度
- 化学耐受性
- 加速老化、紫外线老化
- 识别关键根本原因问题，验证解决方案
实施六西格玛工艺解决方案
用于材料表面清洁与化学活化的等离子体预处理
Pyrosil® 处理提升聚合物附着力——技术进步拓展低表面能塑料的应用
附着力应用领域包括：
- 塑料、复合材料及金属的粘接
- 塑料及金属涂层
- 喷墨打印
- 聚合物薄膜印刷
- 疏水／亲水涂层
- 微流控装置
- 塑料、玻璃及金属涂层
- Teflon / PTFE
工艺应用问题包括：
- 技术培训
- 胶粘剂选型
- 表面纹理
- 零件存储
- 零件污染
- 化学底涂剂
- 未佩戴防护手套
- 温度与湿度
- 预处理不一致
- 混合操作
- 黏度
- 湿／干膜厚度
- 夹紧压力
- 固化参数
- 烘箱固化
- 质量控制
Scott Sabreen 主讲精选网络研讨会
在本录播网络研讨会中，您将深入了解不同塑料表面预处理背后的科学原理，并学习如何针对您的附着力难题确定最佳解决方案。
涵盖主题：
- 附着失效与内聚失效的比较
- 低表面能塑料基材为何需要进行预处理
- 一次成型工序对附着力的影响
- 如何选择最佳预处理工艺
- 诊断、故障排查与解决方案
- “最佳实践”制造工艺方法
- 真实案例研究
为何需要表面预处理？
塑料材料在粘接胶粘剂、涂料、油墨和油漆时，具有低表面能及低界面附着力特性。等离子体表面预处理用于促进难粘接塑料基材之间的附着力，“气相”等离子体表面（改性）氧化是最常用的改性方法，已被证实高效、经济且环保安全。针对特定应用选择最适合的方法可能具有一定挑战性。通过理解接触角、表面润湿和化学活化的基础科学，几乎所有粘接问题均可得到解决，即便是最难粘接的聚合物和弹性体材料也不例外。
什么是“气相”等离子体表面（改性）氧化？
哪种等离子体工艺最适合您的应用？点击以下按钮了解各方法详情。
亲水性表面
疏水性表面
部分润湿
接触角是液体与固体界面交汇处通常穿过液体测量的角度，通过杨氏方程量化固体表面对液体的润湿性。
仅对静态接触角的流体行为进行测试，可能导致对液／固界面结果及粘接问题解决方案的误判。这是因为工业制造生产作业实际上更接近动态条件，而非静态条件。因此，理解动态接触角（DCA）至关重要。接触角通常受表面化学变化和表面形貌变化的共同影响。
前进接触角对基材表面低能（未改性）组分最为敏感，而后退角对表面预处理引入的高能氧化基团更为敏感。因此，后退角是表面预处理后改性组分最具代表性的测量指标，通过达因溶液进行测量。所以，对所有表面改性材料同时测量前进接触角和后退接触角至关重要。
当液滴附着于固体表面并倾斜固体表面时，液滴将向前冲出并向下滑动。所形成的角度分别称为前进角（θa）和后退角（θr）。ASTM D724 描述了使用先进设备（光学张力计和接触角仪）测量 DCA 的方法，通过液滴形状分析和质量分析前进接触角与后退接触角。
动态接触角 θr 与 θa
许多塑料难以粘接的根本原因在于它们是疏水性非极性材料，化学惰性，表面润湿性差——即表面能低。虽然这些疏水性（排斥水分）性能对于追求此类特性的零件设计人员而言理想，但对于需要粘接此类材料的制造商而言却是一大障碍。可靠的附着粘接通常需要“亲水性”表面。为实现最佳附着力，胶粘剂（涂料、油墨或油漆）必须充分“润湿”待粘接的表面（被粘物）。
“润湿”是指液体流动并覆盖表面，以最大化胶粘剂与被粘物粘接表面之间的接触面积及吸引力。为使液体有效润湿表面，胶粘剂的表面能必须低于或等于待粘接被粘物的表面能，或者必须提高基材的表面能。
设想一个液体液滴静置（平衡状态）在平坦固体表面上。固体表面与端点处上表面切线所形成的角度称为接触角；它是穿过液体，接触点切线与固体表面水平线之间的角度（?）。气泡／液滴的形状源于分子力——所有液体通过表面收缩，倾向于使所容纳体积形成表面积最小的形状。收缩表面的分子间作用力称为“表面张力”。表面张力是表面能的量度，以 dynes/cm（国际单位制 N/m）表示。
固体基材表面能相对于液体（水、印刷油墨、胶粘剂／封装料、涂料等）表面张力越高，其“润湿性”越好，接触角越小（第2页图1）。通常，当基材表面能比液体表面张力高约 8 至 10 dynes/cm 时，可获得可接受的粘接附着力。
亲水性与疏水性表面的“表面润湿”对比
在许多应用中，可能仅需按照既定测试程序使用达因溶液检查静态平衡接触角。应用套装或“达因笔／溶液”可提供有用信息，但并非表面张力的精确测量。表面张力测量结果因操作人员（操作技术）及对“中央”液体行为的判读而存在较大差异。达因笔／溶液是表面张力显著差异的方向性指示工具，能够以经济的价格识别“良好”与“不良”可粘接表面。由于多次使用存在污染问题，瓶装达因溶液可能优于笔型产品。
检测表面质量的最佳方法：
Surface Analyst™ 2001 是一款手持式数字设备，可在线生产中无需使用化学达因溶液即可测量接触角。该方法无损检测，因此零件可照常处理——与需要刮擦零件的达因溶液测试不同。Surface Analyst™ 由 BTG Labs 发明，旨在将精密表面测量技术交付给车间技术人员，适用于表面状况至关重要的操作，例如附着粘接、喷漆、涂层、打印和去污。该设备采用名为“弹道沉积”的专利技术，在基材表面沉积一滴高纯净水珠。
通过获知水珠的体积和面积，设备计算水珠与特定表面的接触角，并以可量化数值或合格／不合格提示向用户提供即时反馈。设备提供的检测数据使用户能够判断基材是否已为附着力工序正确准备，以替代破坏性达因溶液测试。该手持装置可在任意方向操作，适用于光滑或有纹理的表面（如带纹 TPO）。这些数据可用于持续改进工艺、识别可能预示问题的质量漂移，或精准定位产品失效的关键原因。
BTG Labs Surface Analyst。图片由 BTG LABS（513.469.1800）提供。
制造商普遍倾向于仅将接触角或其他润湿性测量结果作为粘接问题和日常表面测试的唯一预测指标。化学表面功能性同等重要，通过将疏水性表面活化为可粘接的亲水性表面来体现。气相“辉光放电”表面氧化预处理工艺用于化学表面活化。这些工艺的特征是能够产生“气体等离子体”——一种由自由电子、正离子及其他物种组成的极度活性气体。等离子体通常被描述为物质的第四态。随着能量的供给，固体融化为液体，液体气化为气体，气体电离为“等离子体”。
在物理学领域，这些等离子体的生成机制各不相同，但对表面润湿性的影响相似。发生的基本化学和物理反应是：等离子体中产生的自由电子、离子、亚稳态粒子、自由基和紫外线可以足够的能量撞击表面，打断大多数聚合物基材表面的分子键。这在聚合物表面产生高度活性的自由基，这些自由基进而可形成、交联，或在氧气存在下快速反应，在基材表面形成各种化学官能团。可形成并增强可粘接性的极性官能团包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氢过氧基（HOO-）和羟基（HO-）。即便是聚合物中少量活性官能团的引入，对于改善表面化学功能性和润湿性也大有裨益。此外，化学底涂剂／溶剂和机械磨蚀（包括模具纹理）可单独使用或与预处理方法联合使用。
稳健粘接强度预处理的程度或质量受塑料表面清洁程度的影响。表面必须洁净，才能实现最佳预处理效果及后续附着力。抑制处理的产品表面污染源包括：污垢、灰尘、油脂和油。硅酮、脱模剂和防滑剂等低分子量材料对粘接危害尤为显著。材料纯度也是重要因素。此外，颜料和染料着色剂中使用的某些可溶或不可溶复合助剂可能对附着力产生不良影响。
经处理塑料的货架寿命（处理老化降解）取决于树脂类型、配方及储存区域的环境条件。经处理产品的货架寿命受低分子量氧化材料（LMWOM）的存在所限，如抗氧化剂、增塑剂、滑爽剂及抗静电剂、着色剂和颜料、稳定剂等。经处理表面暴露于高温会增加分子链移动性。链移动性越高，预处理的老化速度越快。等离子体处理表面的老化速率及程度因周围环境因素而不同。老化特性及货架寿命对制造工艺操作至关重要。活化表面的货架寿命可能为数小时、数天、数月乃至更长。建议在预处理后尽快对产品进行粘接、涂层、喷漆或装饰。
需要认识到，每种表面预处理方法均针对特定应用，可能具有独特优势与潜在局限。为获得可靠效果，请考虑以下因素：
- 聚合物对氧化工艺的反应各不相同。聚合物基材的类型及其最终使用性能要求，对于确定预处理方法的选择至关重要。
- 基材（待处理产品）是否导电？例如，未组装的塑料电子连接器本体（不含金属触点针脚）可进行电气处理，而已组装的连接器则可能出现电弧放电问题。
- 零件几何形状——与深凹槽、极度锥形及其他不规则形状相比，平坦表面更易于处理。润湿测试在小区域和高度纹理化表面上难以进行。
- 物料搬运自动化：导电皮带和链条可能与传统电晕放电处理器及点处理器发生电弧放电。可考虑改用火焰处理、冷气体等离子体或低电位大气等离子体。
- 避免过度处理。过度等离子体氧化表面可能对后续装配工序（如热封／焊接）产生不良影响。
- 预处理设备并非都品质相当。应在实际运行中检查系统构建质量。对于电气处理工艺，观察等离子体放电的均匀性；对于火焰处理，比较带式燃烧器与孔式燃烧器及燃烧系统部件的差异；对于冷气体等离子体，检查腔体结构、电极架的质量，尤其要关注真空泵的制造商。
表面粗糙度是固体表面不均匀程度的量度，介于形状或起伏的宏观尺度与晶格结构的微观不规则性之间。
粗糙程度影响固体的润湿性。粗糙度与增大的表面积密切相关，会影响固体的润湿性、液体的接触角以及附着力。
本程序介绍一种使用达因测试标记笔检测和测量塑料基材表面润湿张力（即表面能）的方法。
表面润湿测试应在预处理（电晕放电处理、火焰处理、射频气体等离子体）后立即进行。经处理的表面对时间敏感，且受温度、湿度等环境条件影响。基材须保持清洁表面以获得最佳附着力。污垢、灰尘、手指油脂、硅酮基产品及其他污染物会抑制附着力，并可能导致检测结果出现偏差。
1.0 材料／设备
- 达因标记笔——可选级别：30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、60
- 待测产品
- 塑料手套
- Chemwipes 或纸巾
- 温湿度计
- 清洁工作区
2.0 方法
- 记录环境温度和湿度。
- 选取 60 dyne 标记笔并取下笔盖。
- 将待测产品置于平坦表面，将标记笔涂抹头用力按压在产品上，直至溶液被吸入笔头。
- 轻轻地将笔沿预处理表面的长度方向划过一次，涂敷薄薄的液体层。
- 建议平行涂敷。溶液过量将导致读数偏差。
- 记录液体破裂成液滴所需的时间。应在液体中央位置观察液体行为读数。
- 若液体在两（2）秒内未破裂成液滴，则假定表面能至少为 60 dyne，继续执行步骤 2.7。若液体在不足两（2）秒内破裂成液滴，则使用低一级的达因标记笔重复测试。可能需要对预处理工艺进行调整。
- 当所有表面均达到所需润湿结果时，测试完成。
- 妥善处置已测试的产品。
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Scott Sabreen —— 总裁兼首席工程师，30 余年专业经验。立即联系我们，免费探讨您的应用方案与 SABREEN 的解决方案，把您最棘手的难题交给我们。
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