表面预处理 / 表面质量
接触角与表面张力优化附着力
塑料材料天然难以粘接、涂层、层压、印刷和装饰，原因在于其疏水性非极性特质、化学惰性及较差的表面润湿性，即低表面能。附着力由基材与涂层材料之间极性与非极性相互作用决定。提升聚合物表面润湿性与附着力需要提高表面能及极性分量。为获得最佳附着力，胶粘剂（涂层、油墨或涂料）必须充分"润湿"被粘接的表面（被粘体）。气相等离子体预处理属于"氧化"工艺，通过引入化学极性官能团，可有效解决附着力问题。
The Sabreen Group 专注于塑料、复合材料、橡胶和金属的表面工程及预处理，以实现稳健的制造工艺。我们的工艺方法与技术解决塑塑粘接、塑橡粘接及塑金属粘接等应用中的粘接难题。我们凭借军事/航空航天电子设备及智能导弹/炸弹制造所采用的表面预处理工艺荣获美国专利 5051586。实验室表面分析测试包括原子力显微镜、ESCA/XPS 及接触角检测。
SABREEN 的创新解决方案应用领域包括：
- 塑料、复合材料与金属的粘接
- 塑料与金属涂层
- 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
凭借丰富的行业经验与知识，The Sabreen Group 能够熟练解决表面预处理问题，并实施经济高效、环保友好的解决方案。SABREEN 的专家在表面预处理、界面化学、表面质量及分析测量技术等领域享有卓越声誉。
为何需要表面预处理？
塑料材料在粘接胶粘剂、涂层、油墨和涂料时具有低表面能和低界面附着力。等离子体表面预处理用于提升难粘塑料基材的附着力，"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。选择适合特定应用的处理方法具有一定挑战性，部分原因在于误解与术语混淆。通过理解接触角、表面润湿及化学活化的基本原理，几乎任何粘接难题均可得到有效解决，即便是最难粘接的聚合物和弹性体材料亦然。
什么是"气相"等离子体表面（改性）氧化？
气相"辉光放电"表面氧化预处理工艺用于化学表面活化。这些工艺的特点是能够产生"气体等离子体"，即一种由自由电子、正离子及其他粒子组成的高活性气体。等离子体通常被描述为物质的第四态。随着能量的输入，固体熔化为液体，液体气化为气体，气体进一步电离为"等离子体"。
哪种工艺最适合您的应用？请点击下方按钮了解各种等离子体处理方法。
亲水表面
疏水表面
部分润湿
接触角是液体-蒸气界面与固体界面交汇处通常穿过液体测量的角度，通过 Young 方程量化液体对固体表面的润湿性。
仅测试静态接触角的流体行为可能导致对液/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操作更接近动态条件而非静态。因此，理解动态接触角（DCA）十分重要。接触角通常同时受表面化学变化和表面形貌变化的影响。
前进接触角对基材表面的低能（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，后退角是使用达因液测量预处理后表面改性组分特征的最具代表性指标。因此，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该表面时，液滴会向前滑动并向下滑落。所形成的角度分别称为前进角（θa）和后退角（θr）。ASTM D724 规定了使用光学张力计和接触角测量仪等先进设备，基于液滴形状分析和质量测量前进接触角和后退接触角（DCA）的方法。
动态接触角 θr 与 θa
许多塑料难以粘接的根本原因在于其疏水非极性特质、化学惰性及较差的表面润湿性，即低表面能。虽然这些疏水性（排斥水分）特性对追求此类性能的零件设计师而言是理想之选，但对于需要粘接此类材料的制造商来说却是一大障碍。稳健的附着粘接通常需要"亲水"表面。为实现最佳附着力，胶粘剂（涂层、油墨或涂料）必须充分"润湿"被粘接的表面（被粘体）。
"润湿"是指液体流动并覆盖表面，以最大化胶粘剂与被粘接表面之间的接触面积和吸引力。液体要有效润湿表面，胶粘剂的表面能必须等于或低于被粘接材料的表面能。或者，须提高基材的表面能。
考虑一个静止（平衡状态）下位于平坦固体表面上的单个液滴。固体表面与端点处液滴上表面切线所形成的角称为接触角，即穿过液体在接触点处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趋向于将所含体积形成最小表面积的形状。收缩表面的分子间力称为"表面张力"。表面张力作为表面能的量度，以 dynes/cm（国际单位 N/m）表示。
固体基材的表面能相对于液体（水、印刷油墨、胶粘剂/灌封胶、涂层等）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 dyne/cm 时，即可实现可接受的粘接附着力。
"表面润湿"：亲水表面与疏水表面的对比
在许多应用中，可能只需按照记录的测试程序使用达因液检测静态平衡接触角。应用套件或"达因笔/液"提供有用信息，但并非精确的表面张力测量手段。表面张力测量因操作者（技术）不同及对"中心"液体行为解读的差异而存在较大偏差。达因笔/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"优良"和"不良"可粘接表面。由于多次使用引发的污染问题，瓶装达因液可能优于达因笔。
检测表面质量的最佳方法：
Surface Analyst™ 2001 是一款手持式数字设备，无需使用化学达因液即可在线生产中测量接触角。该方法无损，因此零件可照常处理，与达因液测试会刮伤零件不同。Surface Analyst™ 由 BTG Labs 发明，旨在将精密表面测量技术交到车间技术人员手中，适用于表面状态至关重要的工序，如胶粘接合、喷漆、涂层、印刷及去污。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度水滴。
通过已知水滴的体积和面积，设备计算水与特定表面之间的接触角。设备向用户提供即时反馈，显示可量化数值或通过/失败提示。设备提供的检测数据使用户能够判断基材是否已为粘接工序做好适当准备，可替代破坏性达因液测试。手持装置可在任意方向操作，适用于光滑或纹理表面（如纹理 TPO）。该数据可用于持续工艺改进、识别可能预示潜在问题的质量漂移，或找出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关注接触角或其他润湿性测量作为预测粘接问题和进行常规表面检测的唯一指标。化学表面功能性同样重要，即将疏水表面活化为可粘接的亲水表面。气相"辉光放电"表面氧化预处理工艺用于化学表面活化。这些工艺的特点是能够产生"气体等离子体"，即一种由自由电子、正离子及其他粒子组成的高活性气体。等离子体通常被描述为物质的第四态。随着能量的输入，固体熔化为液体，液体气化为气体，气体进一步电离为"等离子体"。
在物理学中，产生这些等离子体的机制各不相同，但其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、自由基及紫外线能够以足够的能量冲击表面，断裂大多数聚合物基材表面的分子键。这在聚合物表面产生高活性自由基，进而可形成交联，或在氧气存在下迅速反应，在基材表面形成各种化学官能团。可增强可粘接性的极性官能团包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氢过氧化物（HOO-）和羟基（HO-）。即使少量活性官能团引入聚合物，也可显著改善表面化学功能性和润湿性。此外，化学底涂剂/溶剂及机械研磨（包括模具纹理）可单独使用或与预处理方法结合使用。
预处理的程度或质量对获得稳健粘接强度受塑料表面清洁度的影响。表面必须保持清洁，以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、油脂和润滑油。有机硅、脱模剂和防滑剂等低分子量材料对粘接尤为有害。材料纯度也是一个重要因素。此外，颜料和染料着色剂中使用的某些可溶性或不溶性复合助剂可能对附着力产生不利影响。
已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。已处理产品的货架寿命受抗氧化剂、增塑剂、爽滑剂和抗静电剂、着色剂和颜料、稳定剂等低分子量氧化材料（LMWOM）的存在而受限。已处理表面暴露于高温环境会增加分子链运动性。链运动性越高，预处理老化越快。等离子体处理表面相对于周围环境因素以不同速率和不同程度老化。老化特性及储存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、喷漆或装饰处理。
需认识到，每种表面预处理方法都具有应用特异性，并可能具有独特优势和潜在局限性。为获得稳健的处理效果，请考虑以下因素：
- 不同聚合物对氧化工艺的反应各异。聚合物基材的类型及其最终使用性能要求是确定预处理方法选择的关键因素。
- 基材（待处理产品）是否导电？例如，未组装的塑料电子连接器外壳（不含金属触点引脚）可进行电气处理，而已组装的连接器可能出现电弧问题。
- 零件几何形状——平面比深凹槽、极端锥形及其他不规则形状更易处理。润湿测试在小区域和高纹理表面上难以进行。
- 物料搬运自动化：导电传送带和链条可能与传统电晕放电处理机和点处理机产生电弧。可考虑改用火焰处理、低压冷气体等离子体或低电位大气等离子体。
- 避免过度处理。过度等离子体氧化的表面可能对下游组装工艺（如热封/焊接）产生不良影响。
- 并非所有预处理设备质量相同。请检验在用系统的制造质量。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，考虑缝型与钻孔端口燃烧器及燃烧系统组件之间的差异；对于低压冷气体等离子体，检验腔室结构、电极架的质量，尤其是真空泵的制造商。
表面粗糙度是固体表面不均匀程度的量度，其尺度低于形状或起伏的量级，但高于晶格结构的不规则性。
粗糙度的程度影响固体的润湿性。由于粗糙度与扩大的表面积相辅相成，它影响固体的润湿性、液体的接触角及附着力。
本程序描述了使用达因测试标记笔测试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、射频气体等离子体处理）后立即进行。已处理表面对时间敏感，受温度和湿度等环境条件的影响。基材表面必须保持清洁，以实现最佳附着力。污垢、灰尘、手/手指油脂、有机硅产品及其他污染物会抑制附着力并导致测试结果错误。
1.0 材料 / 设备
- 达因标记笔——可用级别：30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、60
- 待测产品
- 塑料手套
- 化学擦拭纸或纸巾
- 温湿度计
- 清洁工作区
2.0 测试方法
- 记录环境温度和湿度。
- 取 60 dyne 标记笔并取下笔帽。
- 将待测产品置于平坦表面，将标记笔涂抹头用力按压至产品上，直至溶液被吸入笔尖。
- 轻触笔尖，沿预处理表面长度方向单次划过，涂抹薄层液体。
- 建议进行平行划线。溶液过多将导致读数错误。
- 记录液体破裂成液滴所需的时间。液体行为的读数应在液体中心处观察。
- 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，则使用下一级别较低的达因标记笔重复测试。可能需要调整预处理工艺。
- 当所有表面均达到预期润湿结果时，测试完成。
- 妥善处置已测试产品。
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