低温等离子体改性对碳纤维增强聚醚醚酮粘接性能影响的时效性研究

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研究目的:本研究旨在探究常压下空气低温等离子体对30%碳纤维增强聚醚醚酮(Carbon Fiber Reinforced Polyetheretherketone,CFR-PEEK)表面改性后粘接性能的影响及时效性。通过水接触角测试、表面形貌观察以及微拉伸测试等方法,探究空气低温等离子体处理对30%CFR-PEEK表面粘接性能影响的时效性。方法:制作56个规格相同,长宽高为3 mm*3 mm*6 mm的30%CFR-PEEK试件,并随机分为7组(n=8),进行水接触角实验和微拉伸粘接强度实验,其中水接触角实验1组,微拉伸粘接强度实验6组:空白对照组、0 h组、4 h组、24 h组、72 h组、120 h组。所有样本表面使用800目砂纸打磨+80目氧化铝喷砂,除空白组外样本均使用空气低温等离子体处理30 s。水接触角测试组样本分别在打磨后、喷砂后、30 s等离子体处理后0 h、4 h、8 h、24 h、72 h、96 h、120 h、144 h进行水接触角测试,分析30%CFR-PEEK在喷砂前后以及空气低温等离子处理后表面接触角的变化特点。各个粘接组按照不同分组时间制作30%CFR-PEEK-树脂粘接模型,37℃生理盐水储存40 h后进行微拉伸实验。加载速度设置为1 mm/min,拉力方向垂直于粘接面,直至粘接界面破坏,记录最大载荷,计算微拉伸强度并记录,应用统计学软件对拉伸强度结果进行统计学分析。对试件表面进行喷金,采用扫描电镜(Scanning Electronmicroscope,SEM)进行观察,比较打磨、喷砂、等离子处理后的表面形貌差异。结果:1.水接触角实验:30%CFR-PEEK试件在经800目砂纸打磨后表面水接触角为64.45±3.23°,经80目氧化铝喷砂处理后水接触角明显增大,达到了119.66±4.98°,空气低温等离子体射流处理30 s后表面水接触角为15.05±1.75°。空气低温等离子处理试件后,表面接触角在第5天恢复到处理前的水平,并且在等离子处理后1天内变化最快。2.表面形貌观察:结果显示经过800目碳化硅砂纸打磨后的表面相对平滑,有少量粗糙表面和打磨划痕;经过80目氧化铝喷砂处理后的表面明显粗糙度增加;经空气常压低温等离子体处理30 s后试件的表面进一步被蚀刻,呈现出微米级的沟壑。3.微拉伸粘接强度实验:对6组30%CFR-PEEK-树脂粘接模型进行微拉伸强度测试,其中空白对照组为5.13±0.67 MPa,0 h组为11.25±0.67 MPa,4 h组为10.56±0.52 MPa,24 h组为9.97±0.50 MPa,72 h组为7.33±1.22 MPa,120 h组为6.26±1.25 MPa。4 h组与0 h组、4 h组与24 h组两两比较无统计学差异,其余各组两两比较均有统计学差异(P<0.05)。结论:2.低温等离子技术表面改性效果与等离子装置处理参数、等离子气体、材料本身理化性能等密切相关。本实验条件下的等离子体处理30%CFR-PEEK可获得较好的改性效果。3.空气低温等离子射流处理30%CFR-PEEK表面有一定的蚀刻作用,但结果分析表明这种轻度的蚀刻并不会对30%CFR-PEEK表面的润湿性、粘接性有明显促进作用。4.氧化铝喷砂与空气低温等离子体联合应用能显著提高30%CFR-PEEK与树脂的粘接强度。需要注意的是,改性效果存在时效性,处理后4 h粘接仍能获得最佳的粘接强度,然后逐渐降低,并在5天后恢复到处理前水平。因此使用低温等离子技术对30%CFR-PEEK改性后应尽可能即刻应用以获得最佳的改性效果。
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