低温等离子体处理对航空氟硅橡胶表面性能的影响.pdf

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第43卷第2期—2015年2月第7378页材料工JournalofMaterials程EngineeringVo1.43No.2—Feb.2015PP.7378低温等离子体处理对航空氟硅橡胶表面性能的影响EffectofLowTemperaturePlasmaTreatmentonSurfacePropertiesofAviationFluoros订iconeRubber陈玉如,王云英,孟江燕,范金娟,孙旭(1南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室材料科学与工程学院,南昌330063;2北京航空材料研究院,北京100095)———CHENYuru。WANGYunying,MENGJiangyan,—FANJinjuan,SUNXu(1SchoolofMaterialsScienceandEngineering,KeyLaboratoryofNDT(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)摘要:采用Ar,O两种气氛对航空氟硅硫化橡胶(FS6265)表面进行低温等离子体(LTP)处理。用x射线光电子能谱(XPS)分析表面元素,测试表征了静态接触角、表面能及剥离强度;用扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)观察了表面形貌及表面粗糙度。结果表明:经Ar处理后,FS6265表面水接触角从101.5。降到19.0。,表面能从19.3mJ・rn升高至73.2mJ・m;经O2处理后,水接触角降到25.5。,表面能升高至70.6mJ・m~。SEM及AFM图像显示LTP处理后表面粗糙度增加。LTP处理后材料表面C、F元素含量下降,O元素含量大幅度提高,表面引入C一0H和—cO基团。LTP处理效果的时效性非常明显,FS6265经Ar,O2气氛处理后分别放置12,8h后表面性能的变化基本消失。关键词:低温等离子体;氟硅橡胶;表面改性;粘接性;接触角—doi:10.11868/j.issn.10014381.2015.02.012中图分类号:TQ333.93文献标识码:A———文章编号:10014381(2015)02007306—Abstract:Surfaceoftheaviationvulcanizedf1uoros.1icone(FS6265)rubberwastreatedby1OWtemperatureplasmatreatmentwithArandO2atmospheres.ChemicalelementofsurfaceofFS6265was——analyzedbymeansofXrayphotoelectronspectroscopy(XPS).Thestaticcontactangle,surfaceenergY,andthepeelstrengthwereusedtocharacterizetheconditionofFS6265.Surfacemorphologyandsurfaceroughnesswereobservedbyscanningelectronmicroscopy(SEM)andatomicforcemicroscopy—(AFM).TheresultsshowthatthecontactangleofFS6265decreasesfrom101.5。to19。,surfaceen’—ergyincreasesfrom19.3mJ・m~to73.2mJ・m一whenitStreatedbyArplasmatreatment.Thewa—tercontactangledeclinesto25.5。,andthesurfaceenergyimprovestO70.6mJ・m_。afterbeingtreatedbyO2.TheimagesofSEMandAFMshowthatFS6265surfaceroughnessincreases.XPSshows—thattheconcentrationofcarbonelementandinertfluorineelementdecreases,oxygenelementim——provesgreatlyafterLTPtreatment。doublebondedcarbonatoms(CO)andCOHfunctiongroupsarefoundinthesurface.Inaddition,thetimeeffectivenessofplasmatreatmentiSobviousandforFS6265,surfaceenergychangedisappearaftertreatedinAr,O2atmospheresandthenbeingplaced12hand8h.—Keywords:lowtemperatureplasma(LTP);fluorosiliconerubber(FS6265);surfacemodification;adhesive;contactangle74材料工程2O15年2月氟硅橡胶FS6265具有高度的化学稳定性,是目前所有橡胶中耐介质性能最好的一种。由于热硫化的FS6265兼具耐油、耐溶剂、耐化学药品、耐臭氧、耐候性、耐高低温等一系列优良的特性。因此,作为一种高性能的特种橡胶材料,在航空航天等国防领域、电子通讯、车辆船舶、石油化工、仪器仪表、医疗卫生等领域得到广泛应用l_】]。虽然FS6265具有优良的物理、化学特性,但是由于其表面能低、粘接性差,在许多特殊产品中FS6265并没有得到充分的应用L2]。因此,对其通过适当的表面改性而成为具有商业价值的产品成为研究热点]。近年来,光化学和化学技术(卤化、蚀刻、接枝、氧化等)和物理方法(电晕放电、火焰和激光处理、等离子体)被广泛地用于聚合物的表面改性l4]。这些改性方法均能在不同的程度上改善FS6265的表面性能,提高其表面能、润湿性和粘接性,湿化学处理方法由于环境和安全方面的考虑存在一定的局限性,而物理方法却具有一定的优势。低温等离子体(LTP)已经在改善聚合物表面具有”所需要的化学和形态方面的研究取得显著成效l1]。所谓等离子体改性是指通过放电产生的电子、正离子、负离子、自由基、原子和分子等与材料表面发生刻蚀、氧化、交联反应改变材料表面性能[1,它只限于对基体的表层产生影响而基体本身性能不受影响[1。其改性效果取决于几个处理参数,即处理过程中的气氛,处理时间、功率和放电压强l1。近年来,采用LTP方法对多种材料进行表面改性且取得了令人满意的效果,然而针对硫化FS6265的表面ITP处理技术的研究仍少有涉及。本实验主要研究LTP对FS6265表面特性的影响,选用两种气氛(Ar,O)对FS6265表面C叮蕙垩Plasmatreatmenttime,S080呈7O、60章器3082010C巳∞垩进行处理,分析不同处理工艺参数对FS6265表面能、润湿性、剥离强度的影响,用SEM,AFM,XPS分析其表面形貌及表面元素。1实验实验所用航空FS6265硫化胶料厚度为2mm,将材料制成15mm×50mm的试样,在蒸馏水环境下加超声波清洗,清洗干净后置于无尘环境自然干燥;采用HD一1A型低温等离子体处理仪(常州中科常态等离子科技有限公司),抽真空至2Pa,用不同的处理工艺(时间、功率、放电压强、气氛)对试样进行处理。处理气氛分别为Ar,O。采用JC20001C接触角测量仪测试蒸馏水和a一溴萘(分析纯)在FS6265表面的静态接触角;采用—UTM4203型电子万能试验机,根据GB/T27911995测试FS6265处理前后与PTFE粘接的剥离强度;采用SU1510型扫描电子显微镜和Agilent5500型原子力显微镜观察试样的表面形貌及粗糙度;采用XPS表征分析改性前后试样表面元素和活性基团的变化情况。2结果与分析2.1处理前后FS6265的表面接触角和表面能采用不同的处理时间、功率、放电压强等工艺参数以及气氛的LTP处理FS6265。测量蒸馏水和一溴萘在其表面的接触角,根据Owens法计算表面能。图1为FS6265表面接触角、表面能结果(2个工艺参数不变,变化1个工艺参数的方法进行处理)。04488132Plasmatreatmentpower/Wo兰;三叁8言善40岙i8量10参量Plasmatreatmentpressure/Pa图1LTP处理时间(a),功率(b)和放电压强(c)对接触角和表面能的影响Fig.1Effectsofplasmatreatmenttime(a),power(b)anddischargepressure(c)oncontactangleandsurfaceenergy由图1可以看出,以Ar,O为处理气氛时,FS6265接触角和表面能变化的总体趋势相似。采用Ar气氛处理对FS6265表面的亲水性、表面能的变化比o。气氛处理的效果明显一些。从图1(a)可以看出,随处理时间的增加,接触角急剧下降、表面能迅速1三~n)8粤3c,)提高;增加处理时间,接触角、表面能的变化减缓;继续增加处理时间,接触角反而出现略微上升。这是因为等离子处理达到一定时间后,等离子体在表面引起的物理、化学反应接近饱和]。经LTP处理后FS6265表面由疏水性变成亲水性,一方面是由于等离子的轰78材料工程2O15年2月—8689.—[4]PENNLS,WANGH.Chemicalmodificationofpolymersurfaces:areviewEJ].PolymersforAdvancedTechnologies,1994,—5(12):809817.———Es]ROMEROSANCHEZMD.PASTORBIASMM,MARTINMARTINEZJM.AdhesionimprovementofSBRrubberby—treatmentwithtrich1。roisocyanuricacidsolutionsindifferentesters[J].InternationalJournalofAdhesionandAdhesives,2001,—21(4):325337.[6]MAJUMDERPS,BHOWMICKAK.SurfaceandbulkpropertiesofEPDMrubbermodifiedbyelectronbeamirradiation[J].—RadiationPhysicsandChemistry,l999,53(1):6378.—r7]GANESHCB,ABHIJITB,BHARSDWAJYK,eta1.CharacterizationofEPDMvulcanizatesmodifiedwithgammairradiationandtrich1oroisocvanuricacidandtheiradhesionbehaviorwithnatural—rubber[J].TheJournalofAdhesion,2O10,86(3):304334.r9]GRYTHEKF,HANSENFK.SurfacemodificationofEPDMrubberbyplasmatreatment[J].Langmuir,2006,22(14):61096124.rl0]AK1SHEVY,GRUSHINM,DYATKON,eta1.Studieson——coldplasmapolymersurfaceinteractionbyexampleofPPand—PETfilms[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2008,41(23):235203.[11]黄明.低温等离子体对氟橡胶表面改性研究[D].成都:四川大学,2003.HUANGMing.Studyonthefluoriderubbersurfacemodifica—tionbythelowtemperatureplasmatechnique[D ̄.Chengdu:SichuanUniversity,2003.[12]王云英,孟江燕,王运平.低温等离子处理对PTFE表面性能的影响[J].航空材料学报,2009,29(5):7681.——WANGYunying,MENGJiangyan,WANGyunping.EffectoilPTFEsurfacepropertytreatedbylowtemperatureplasma[J].JournalofAeronauticalMaterials,2009,29(5):7681.[13]刘名涛,钟喜春,刘仲武,等.等离子喷涂制备MoSi2一CoNiCrAIY纳米复合涂层的结构与性能[j].材料工程,2014,(5):—1722.[14][15][16][17]———LIUMingtao,ZHONGXichun,LIUZhongwu.eta1.Struc—tureandpropertiesofMoSi2一CoNiCrA1Ynanocompositecoatingbyplasmaspraying[J].JournalofMaterialsEngineering,2014,(5):1722.王云英,陈玉如,孟江燕,等.低温等离子体处理对低密度聚乙烯—薄膜表面性能的影响[J].表面技术,2013,42(6):5558.———WANGYunying,CHENYuru,MENGJiangyan,eta1.EffectoflowtemperatureplasmaTreatmentonthesurfacepropertiesofLDPEfilm[J].SurfaceTechnology,2013,42(6):—5558.方志,邱毓昌,罗毅.用大气压下空气辉光放电对聚四氟乙烯进—行表面改性[J].西安交通大学报,2004,38(2):191194.—FANGZhi.QIUYuchang.IU0Yi.Studyonsurfacemodificationofpolytetraflu。r。ethyleneusingatmosphericpressure’glowdischargeinair[J].JournalofXianJiaotongUniversity,—2004,38(2):191194.顾军渭,张秋禹,谢超,等.聚四氟乙烯的表面改性及粘接性能研—究[J].西安石油大学报:自然科学版,2007,22(4):7983.—GUJun-wei,ZHANGQiuyu,XIEChao,eta1.Studyonthe—surfacemodificationandtheadhesionperformanceofpolytet’—raf1u。r。ethy1ene[J].JournalofXianShiyouUniversity:Natu—ralScienceEdition,2007.22(4):7983.陈亏,高晶,俞建勇,等.低温等离子体处理及丙烯酸接枝改性膨—化聚四氟乙烯薄膜[J].化工学报,2011,62(4):11701l76.——CHENKui,GAOJing,YUJianyong,eta1.Surfacemodifica—tionoflowtemperatureplasmapretreatedePTFEfilmbyAAc—graftcopolymerization[J].CIESCJournal,2011,62(4):11701】76.基金项目:中航工业产8项目(cxy2013CHI8)—收稿日期:2014072l;修订日期:20141215通讯作者:王云英(1963一),女,博士,研究方向:高分子材料及其改性,—联系地址:南昌市丰和南大道696号(330063),Email:yywang4321@126.corn
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