等離子體清洗技術在復合材料領域中的應用分析

自等離子體清洗技術問世以來,其應用便隨著電子等工業的快速發展而逐漸增多。目前,等離子體清洗已廣泛應用于半導體與光電工業,并在汽車、航空航天、醫學、裝飾等多個技術領域得到推廣應用。近年來,等離子體清洗技術在聚合物表面活化、電子元器件制造、塑料膠接處理、提高生物相容性、防止生物污染、微波管制造、精密機械零件清洗等方面應用較多。等離子清洗機在復合材料領域中的應用如下:

提高復合材料界面粘結性能

碳纖、芳綸等連續纖維具有質輕高強、熱穩定性好、抗疲勞性能優異等顯著特點,用于增強熱固性、熱塑性樹脂基復合材料所得制成品已被廣泛應用于飛行器、武器裝備、汽車、體育、電器等多個領域。但是商業化的纖維材料表面通常會存在一層有機涂層,在復合材料制備過程中將會成為弱界面層而嚴重影響到樹脂與纖維之間的界面粘結作用。因此,在制備復合材料之前,需要借助一定的處理手段將其去除。

采用等離子體清洗技術,可以有效避免化學溶劑對材料本體性能的損傷,在清洗材料表面的同時能夠引入多種活性官能團,并增大表面粗糙程度,改善纖維表面自由能,有效提高樹脂與纖維兩相界面之間的粘結作用,提高復合材料的綜合性能。圖5所示為芳綸纖維經溶劑清洗和等離子體清洗之后增強熱塑性聚芳醚砜酮樹脂的層間剪切強度對比,表明在各自較佳條件下等離子體清洗對復合材料界面性能的提高作用更為顯著。

提高復合材料制造工藝性能

復合材料液體模塑成型技術(LCM)主要有樹脂傳遞模塑(RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)、真空輔助樹脂注射(VARI)和樹脂膜滲透(RFI)等成型工藝。這類工藝的共同特點是將纖維預成型體放入模具腔體內,再在壓力作用下注入液態樹脂并使其充分浸漬纖維,再經固化、脫模等工序得到所需制品,具有低投入、高效率、高品質等優點。但是需要解決的問題是,LCM技術多存在樹脂對纖維浸漬不理想,制品存在內部空隙和表面干斑等現象[9]。由此可見,樹脂對纖維表面的浸潤性能會直接影響LCM成型工藝過程及其產品性能。因此,可以考慮通過采用等離子體清洗技術改善纖維表面的物理和化學性能,提高預成型體中纖維的表面自由能,使樹脂在同等工藝條件下(壓力場、溫度場等)能夠更加充分地浸漬纖維表面,提高浸漬均勻性,改善復合材料液體成型的工藝性能。

提高復合材料表面涂裝性能

復合材料的成型過程需采用脫模劑,以保證其固化成型后能夠有效地與模具分離,然而脫模劑的使用不可避免地會使復合材料貼膜面殘留多余的脫模劑,造成待涂裝表面的污染現象,產生弱界面層,使涂裝后的涂層極易脫落。傳統的清洗方式為采用丙酮等有機溶劑對表面進行擦拭或者采用打磨后清洗的方式,以除去殘留在復合材料制件表面的脫模劑[10]。然而,采用上述兩種方法,不僅引入了有機溶劑的使用,而且由于打磨過程會造成大量粉塵污染,對環境造成嚴重影響并且危害操作人員的人身安全。而通過綠色環保的等離子體技術清洗后,復合材料待涂裝面獲得較佳可涂裝狀態,涂裝可靠性提高,可以有效避免涂層脫落和缺陷等問題,涂裝后表面平整、連續、無流痕及氣孔等缺陷,涂層附著力較常規清洗有明顯提高,通過GB/T 9286試驗結果分級1級,滿足工程應用標準。

提高復合材料多個制件間膠接性能

對于某些應用場合,需要將若干復合材料制件通過膠接過程連接成整體,在此過程中,如果復合材料表面存在污染,較為光滑或呈化學惰性,則不易通過涂膠的方法實現復合材料制件間的膠接工序。傳統的方式是采用物理打磨方法使復合材料制件的膠接面粗糙度增加,進而提高復合材料制件間的膠接性能。但此方法在產生粉塵污染環境的同時,不易達到均勻增加制件表面粗糙度的目的,易導致復合材料制件表面發生變形、破壞進而影響制件膠接面的性能。因此可以考慮采用簡單易控的等離子體技術,有效、精準地清潔復合材料制件表面污染物,并同時改善其表面物理化學性能,最終獲得良好的膠接性能。

等離子體清洗技術在復合材料領域中的應用,不論是用于改善復合材料的界面性能,提高液體成型工藝中樹脂對纖維表面的潤濕性能,還是用于清除制件表面污染層以提高涂裝性能,或是改善多個制件之間的膠接性能,其可靠性大多是依賴于低溫等離子體對材料表面物理以及化學性能的改善作用,去除弱界面層,或是增加粗糙度、提高化學活性,進而增強兩個表面之間的浸潤與粘結性能。

隨著低溫等離子體技術的日益成熟,以及清洗設備尤其是常壓條件下在線連續等離子體裝置的開發,清洗成本不斷降低,清洗效率可進一步提高;等離子體清洗技術本身具有便于處理各種材料、綠色環保等優點。因此,在精細化生產意識逐漸提高的同時,先進的清洗技術在復合材料領域中的應用必然會更加普及。

 

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