等离子体清洗技术在复合材料领域中的应用分析

自等离子体清洗技术问世以来,其应用便随着电子等工业的快速发展而逐渐增多。目前,等离子体清洗已广泛应用于半导体与光电工业,并在汽车、航空航天、医学、装饰等多个技术领域得到推广应用。近年来,等离子体清洗技术在聚合物表面活化、电子元器件制造、塑料胶接处理、提高生物相容性、防止生物污染、微波管制造、精密机械零件清洗等方面应用较多。等离子清洗机在复合材料领域中的应用如下:

提高复合材料界面粘结性能

碳纤、芳纶等连续纤维具有质轻高强、热稳定性好、抗疲劳性能优异等显著特点,用于增强热固性、热塑性树脂基复合材料所得制成品已被广泛应用于飞行器、武器装备、汽车、体育、电器等多个领域。但是商业化的纤维材料表面通常会存在一层有机涂层,在复合材料制备过程中将会成为弱界面层而严重影响到树脂与纤维之间的界面粘结作用。因此,在制备复合材料之前,需要借助一定的处理手段将其去除。

采用等离子体清洗技术,可以有效避免化学溶剂对材料本体性能的损伤,在清洗材料表面的同时能够引入多种活性官能团,并增大表面粗糙程度,改善纤维表面自由能,有效提高树脂与纤维两相界面之间的粘结作用,提高复合材料的综合性能。图5所示为芳纶纤维经溶剂清洗和等离子体清洗之后增强热塑性聚芳醚砜酮树脂的层间剪切强度对比,表明在各自较佳条件下等离子体清洗对复合材料界面性能的提高作用更为显著。

提高复合材料制造工艺性能

复合材料液体模塑成型技术(LCM)主要有树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、真空辅助树脂注射(VARI)和树脂膜渗透(RFI)等成型工艺。这类工艺的共同特点是将纤维预成型体放入模具腔体内,再在压力作用下注入液态树脂并使其充分浸渍纤维,再经固化、脱模等工序得到所需制品,具有低投入、高效率、高品质等优点。但是需要解决的问题是,LCM技术多存在树脂对纤维浸渍不理想,制品存在内部空隙和表面干斑等现象[9]。由此可见,树脂对纤维表面的浸润性能会直接影响LCM成型工艺过程及其产品性能。因此,可以考虑通过采用等离子体清洗技术改善纤维表面的物理和化学性能,提高预成型体中纤维的表面自由能,使树脂在同等工艺条件下(压力场、温度场等)能够更加充分地浸渍纤维表面,提高浸渍均匀性,改善复合材料液体成型的工艺性能。

提高复合材料表面涂装性能

复合材料的成型过程需采用脱模剂,以保证其固化成型后能够有效地与模具分离,然而脱模剂的使用不可避免地会使复合材料贴膜面残留多余的脱模剂,造成待涂装表面的污染现象,产生弱界面层,使涂装后的涂层极易脱落。传统的清洗方式为采用丙酮等有机溶剂对表面进行擦拭或者采用打磨后清洗的方式,以除去残留在复合材料制件表面的脱模剂[10]。然而,采用上述两种方法,不仅引入了有机溶剂的使用,而且由于打磨过程会造成大量粉尘污染,对环境造成严重影响并且危害操作人员的人身安全。而通过绿色环保的等离子体技术清洗后,复合材料待涂装面获得较佳可涂装状态,涂装可靠性提高,可以有效避免涂层脱落和缺陷等问题,涂装后表面平整、连续、无流痕及气孔等缺陷,涂层附着力较常规清洗有明显提高,通过GB/T 9286试验结果分级1级,满足工程应用标准。

提高复合材料多个制件间胶接性能

对于某些应用场合,需要将若干复合材料制件通过胶接过程连接成整体,在此过程中,如果复合材料表面存在污染,较为光滑或呈化学惰性,则不易通过涂胶的方法实现复合材料制件间的胶接工序。传统的方式是采用物理打磨方法使复合材料制件的胶接面粗糙度增加,进而提高复合材料制件间的胶接性能。但此方法在产生粉尘污染环境的同时,不易达到均匀增加制件表面粗糙度的目的,易导致复合材料制件表面发生变形、破坏进而影响制件胶接面的性能。因此可以考虑采用简单易控的等离子体技术,有效、精准地清洁复合材料制件表面污染物,并同时改善其表面物理化学性能,最终获得良好的胶接性能。

等离子体清洗技术在复合材料领域中的应用,不论是用于改善复合材料的界面性能,提高液体成型工艺中树脂对纤维表面的润湿性能,还是用于清除制件表面污染层以提高涂装性能,或是改善多个制件之间的胶接性能,其可靠性大多是依赖于低温等离子体对材料表面物理以及化学性能的改善作用,去除弱界面层,或是增加粗糙度、提高化学活性,进而增强两个表面之间的浸润与粘结性能。

随着低温等离子体技术的日益成熟,以及清洗设备尤其是常压条件下在线连续等离子体装置的开发,清洗成本不断降低,清洗效率可进一步提高;等离子体清洗技术本身具有便于处理各种材料、绿色环保等优点。因此,在精细化生产意识逐渐提高的同时,先进的清洗技术在复合材料领域中的应用必然会更加普及。

 

分享到:

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注