木结构增强用玻璃钢的空气低温等离子体处理研究

【摘要】：等离子体处理的显著特点是在不影响整体性能的前提下增强材料表面的化学和物理活性,它已经成为改善复合材料界面胶接的重要技术之一。本文采用一种常压空气低温等离子体处理方法对两种聚酯玻璃钢进行表面改性,以改善玻璃钢的表面润湿性,增强其与木材的胶接强度,主要研究了空气等离子体处理对玻璃钢表面的改性作用、玻璃钢的表面润湿性变化、空气等离子体处理的时效性及玻璃钢与木材的界面粘接强度等内容。 利用SEM、AFM、FTIR、XPS等分析技术,表征了空气等离子体处理前后玻璃钢的表面形貌、表面化学成分及结构。SEM和AFM分析结果表明：经空气等离子体处理后,玻璃钢表面变得凹凸不平,表面粗糙度增大；FTIR分析结果表明：空气等离子体处理使玻璃钢表面的C-H、C-C、C-O、O-C=O及苯环等化学结构含量发生了变化；XPS分析结果表明：经空气等离子体处理后,玻璃钢表面的O元素含量增加,C-O、O-C=O等活性结构增多,证明了空气等离子体对玻璃钢表面产生了刻蚀、氧化作用。但由于缺乏在线的检测手段,其复杂的改性机理有待进一步深入研究。 空气等离子体能显著提高玻璃钢的表面自由能,且大大提高极性分量的比值,因而玻璃钢的表面接触角显著减小,表面润湿性得到改善。处理时间和处理功率对表面自由能的影响并不大,但随着处理时间的延长或处理功率的增加呈缓慢增加的趋势,接触角则随之逐渐减小。但处理时间过长或处理功率过大,表面自由能反而下降,表面接触角增大。空气等离子体的最佳处理时间和处理功率分别为60s和6.8D。 空气等离子体处理能显著提高木材与玻璃钢的界面胶接质量,且随着处理时间的延长或处理功率的增加,剪切强度逐渐增大,在60s或6.8D的处理条件下出现最大值。胶粘剂种类也对木材/玻璃钢的界面剪切强度有一定的影响。空气等离子体处理前,环氧树脂和异氰酸酯粘接的木材/玻璃钢Ⅰ界面剪切强度分别为2.786MPa和3.194MPa,异氰酸酯粘接强度略高于环氧树脂；空气等离子体处理后,环氧树脂和异氰酸酯粘接件的剪切强度分别提高了1.63～2.17倍和2.12～2.86倍,异氰酸酯粘接强度明显优于环氧树脂,因而异氰酸酯更适于粘接空气等离子体处理的玻璃钢。不同的玻璃钢基材,剪切强度的差别也较大,异氰酸酯粘接的木材/玻璃钢Ⅱ界面剪切强度比木材/玻璃钢Ⅰ约大3-4MPa。 空气等离子体处理具有时效性,被处理玻璃钢表面接触角会随着放置时间的延长而增大,且处理效果越好的处理时间或处理功率的材料,时效性表现越明显,玻璃钢基材不同,时效性也存在一定的差异,在实际应用中,要根据实际情况,合理选择基材和处理参数。