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第六章 提高粘接强度的聚合物火焰处理方法

1、引言:
a.许多重要技术,包括胶黏剂、印刷和油漆,需要聚合物有很良好的粘接性能。为获得满意的粘接性能,通常需要选择一种聚合物预处理方法。对于极性聚合物如尼龙66和热固性环氧化物,预处理可能不必要,如果表面被污染,用物理方法如溶剂脱脂、砂粒冲洗除去污染物就可以了,另一方面,如果聚合物缺少合适的官能团,表面化学改性是必要的,不具有活性官能团的聚合物包括低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE和聚丙烯PP,可用多种方法引入新基团,这些方法包括低压等离子体、电晕、火焰、蚀刻和活性气体;
b.从20世纪50年代早期,火焰处理就已用于增强聚合物的粘接性能,最早应用之一是增强低密度聚乙烯的印刷粘接性能,从那时开始,火焰处理已用于多种聚合物的各种应用领域,火焰处理对于处理大面积聚合物比其他主要方法(如电晕处理)具有许多优势,包括不需背面处理、不产生针孔、没有臭氧产物及较好的抗老化性能;

2、燃烧过程:火焰处理涉及空气和天然气或特殊烷烃(如丙烷)的燃烧,烃类物质与空气很好的混合,然后进行反应。完全燃烧时空气与烃的比率是众所周知的化学计量比率;

3、各种特性研究:
a.Ayres和Shofner考察了大多数关键变量,即气体特性、空气与气体比率、接触时间效果及聚合物离火焰的距离,但没有阐述采用的聚烯烃特性;
b.Briggs等人利用X射线光电光谱XPS技术研究LDPE的火焰处理,发现表面引入了高含量的氧气和有意义的氮气;
c.Garbassi等人发现聚丙烯的火焰处理使与聚氨酯和丙烯酸涂料粘接时强度大大提高,Cls光谱曲线拟合显示羟基和羰基形成主要基团,经过重复火焰处理也发现一些羧基基团;
d.Sutherland等人进行了各种聚丙烯预处理的详细研究,粘接性能改善用对接试验评价,在一些情况下粘接用环氧胶黏剂评价,但多数情况下,聚丙烯首先用聚氨酯涂料涂敷,便于确定在涂料上粘接性能的改善;
e.Strobel等人详细研究了双向拉伸PP均聚物,特别是他们考察了气体化学计算量和火焰-薄膜距离对润湿性能及表面化学的影响效果,他们发表了根据当量比率Φ的试验结果;为了评价在各种处理条件的效果,Strobe等人使用接触角测试、ASTM润湿试验和XPS;
f.Cope报道尼龙11火焰处理层间剪切强度提高3倍,Dillard等人研究模塑复合片SMC的火焰处理,SMC是一种含有其他几种组分玻璃纤维增强聚酯,XPS证实含氧官能团有很大增加,但层间剪切强度增加不大,差的粘接性能是由于粘接层弱化;

4、一般性讨论:
a.火焰处理是一种处理规则形状如薄膜、片盒圆柱面瓶的高效方法,处理时间短,在其他变量较宽的范围内能获得好的结果,常推荐混合气体中氧气富余,超过一定最低值后,总气体流量在宽范围内将获得有效的处理,聚合物离内部锥形顶部几毫米,已成功处理的聚合物有LDPE、HDPE、PP、尼龙11、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氟乙烯和乙烯-一氯三氟乙烯共聚物;
b.聚合物火焰处理化学改性引发步骤可能是由于氢的脱除形成聚合物自由基,然后烷基自由基与氧原子和分子反应形成烷氧和过氧自由基,然后过氧自由基与从其他聚合物链脱除的氢反应生成过氧化物ROOH,过氧化物分解后形成各种官能团。烷氧基自由基经过β-断裂生成酮类,羟基与烷基自由基反应生成醇;
c.通过引入各种官能团,火焰处理将增加聚合物的表面能,这将改善液相润湿性能,例如胶粘剂、涂料和印刷油墨,此外液相与处理聚合物相互作用会增强,极端情况下可能产生化学结合;

5、结论:
■火焰处理是一种快速和有效的处理许多聚合物的方法;
■处理可引进各种官能团,包括羟基和羰基;
■化学改性深度仅几个纳米;
■处理的表面相对稳定。

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