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鋁箔玻纖復(fù)合織物是以玻璃纖維(本文簡(jiǎn)稱“玻纖”)織物為基布,表面復(fù)合鋁箔的熱防護(hù)材料,具有優(yōu)良的熱防護(hù)性能,廣泛用于消防戰(zhàn)斗服、森林避火罩等裝備。但是一方面,鋁箔表面較為光滑、缺乏活性基團(tuán),與黏結(jié)劑之間的結(jié)合力較差,導(dǎo)致鋁箔玻纖復(fù)合織物剝離強(qiáng)度較弱,重復(fù)使用后易出現(xiàn)剝離的情況,大幅降低復(fù)合織物的熱防護(hù)性能,危害穿戴者的生命安全。另一方面,鋁箔和黏結(jié)劑復(fù)合后致密性不夠好,不利于熱防護(hù)性能的提升

等離子體是一種常用的材料表面改性技術(shù),通過刻蝕作用可改善材料粗糙度、提高接觸面積,還可以提高材料的表面活性。本文采用等離子體處理技術(shù)對(duì)鋁箔進(jìn)行表面改性,研究等離子體處理時(shí)間、處理功率、2個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)于鋁箔表面接觸角、剝離強(qiáng)力的影響,并對(duì)改性前后鋁箔表觀形貌進(jìn)行了對(duì)比研究。

等離子體處理工藝對(duì)接觸角與剝離強(qiáng)力的影響

測(cè)試及表征

接觸角測(cè)試:采用接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)等離子體處理過的鋁箔進(jìn)行接觸角測(cè)試,使用水性有機(jī)硅樹脂為試劑。

剝離強(qiáng)力測(cè)試:參照GB/T2792—2014《膠粘帶剝離強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》,采用電子織物強(qiáng)力機(jī)對(duì)雙層玻纖/鋁箔復(fù)合織物開展剝離性能測(cè)試。制作20cm×20cm規(guī)格的雙層玻纖織物夾鋁箔試樣(即2塊玻纖織物中間為1塊鋁箔,用膠黏劑黏合),將制成的試樣烘干固化后再裁剪成25mm寬度的條狀布。鋁箔玻纖織物復(fù)合面料的剝離性能測(cè)試試樣如圖1所示。

圖1 鋁箔玻纖復(fù)合織物剝離強(qiáng)力測(cè)試樣

等離子處理時(shí)間對(duì)接觸角與剝離強(qiáng)力的影響

在處理功率為300W、噴頭高度為3mm時(shí),分析等離子體處理時(shí)間為0、100、200、300、400s的工藝條件下對(duì)鋁箔玻纖復(fù)合織物接觸角和剝離強(qiáng)力的影響,結(jié)果分別見圖2、3。由圖2可知,未經(jīng)處理的鋁箔表面接觸角為61.4°,經(jīng)等離子體處理后,接觸角隨處理時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)顯著下降:處理時(shí)間由100s增至400s時(shí),接觸角從40.5°逐步降至19.8°,說明等離子體處理能有效改善鋁箔表面與膠黏劑的親和性。這可能是因?yàn)榈入x子體處理會(huì)增加鋁箔表面的粗糙程度,促使接觸面積增大,接觸角變小。

圖2 等離子體處理時(shí)間對(duì)鋁箔表面接觸角的影響

圖3 等離子體處理時(shí)間對(duì)剝離強(qiáng)力的影響

由圖3可知,未經(jīng)處理試樣的剝離強(qiáng)力為7.2N,經(jīng)100~400s處理后其值分別提升至9.5、10.6、11.7和11.9N,說明鋁箔與膠黏劑之間的親和性變好,這有利于二者之間黏結(jié)強(qiáng)度的提升;當(dāng)處理超過300s后,剝離強(qiáng)力增幅較小,這可能由于表面過度刻蝕導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)均質(zhì)化。

等離子處理功率對(duì)接觸角與剝離強(qiáng)力的影響

在處理時(shí)間為300s、噴頭高度為3mm時(shí),分析等離子體處理功率為100、200、300、400、500W的工藝條件下對(duì)鋁箔玻纖復(fù)合織物接觸角和剝離強(qiáng)力的影響,結(jié)果分別見圖4、5。由圖4可知,鋁箔接觸角隨等離子體處理功率的增大呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì)。當(dāng)處理功率從100W增至300W時(shí),接觸角由52.6°顯著降低至20.6°;而當(dāng)功率繼續(xù)提升至500W時(shí),接觸角反而回升至47.5°。這可能是因?yàn)槭钱?dāng)功率小于300W時(shí),隨著等離子體處理功率的逐步增大,在鋁箔表面形成刻蝕,使得粗糙度增大，接觸角變小;當(dāng)處理功率大于300W后,在較大功率下鋁膜表面可能發(fā)生熔融,將原有的刻蝕痕跡平坦化,導(dǎo)致粗糙度下降。在300W處理功率下接觸角達(dá)到極小值,表現(xiàn)出最優(yōu)的親水特性。

圖4 等離子體處理功率對(duì)接觸角的影響

圖5 等離子體處理功率對(duì)剝離強(qiáng)力的影響

由圖5可知,鋁箔玻纖復(fù)合織物的剝離強(qiáng)力隨等離子體處理功率的增大呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)。當(dāng)處理功率從100W遞增至300W時(shí),剝離強(qiáng)力由7.8N顯著提升至11.7N;而當(dāng)功率繼續(xù)增大至500W時(shí),剝離強(qiáng)力反而回落至8.3N。這可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)入x子體處理功率處于300W以下時(shí),隨著功率的逐步提升,鋁箔表面會(huì)因等離子體刻蝕作用產(chǎn)生更多溝壑,表面粗糙度增大,接觸角變小,與膠黏劑的接觸面積增大,所以剝離強(qiáng)力也隨之增大。然而當(dāng)功率超過300W后,高能等離子體會(huì)引發(fā)鋁膜表層材料的熔融現(xiàn)象,使得先前形成的刻蝕結(jié)構(gòu)趨于平滑,最終導(dǎo)致表面粗糙度降低,與膠黏劑的接觸面積逐漸減小,導(dǎo)致剝離強(qiáng)力也隨之減小。

鋁箔表面形貌對(duì)比分析

圖6示出等離子體處理前后的鋁箔的SEM照片。未經(jīng)等離子體處理的鋁箔表面較為平整,這也是導(dǎo)致鋁箔玻纖復(fù)合織物剝離強(qiáng)力不足的主要原因。相比之下,經(jīng)過等離子體處理的鋁箔表面形成了眾多微米級(jí)溝槽,一方面使得其與樹脂之間的界面接觸面積變大,一方面使得鋁箔表面樹脂接觸角變小,從而促使鋁箔-玻纖織物黏結(jié)的更加緊密,黏結(jié)強(qiáng)度提升,進(jìn)而增強(qiáng)了鋁箔玻纖織物的剝離強(qiáng)力。

圖6 鋁箔SEM照片(×5 000)

經(jīng)等離子體處理后,鋁箔表面水性有機(jī)硅樹脂接觸角降至19.3°,復(fù)合織物剝離強(qiáng)度提高至12.1N,該工藝顯著增強(qiáng)了鋁箔與玻璃纖維的界面粘接性能。