【专业讲堂】一文简要了解热固性与热塑性复合材料的表面处理
复合材料表面处理主要步骤
复合材料的表面处理对于获得成功的粘合、涂层甚至密封所需的性能至关重要。而用于粘合、涂层或密封的材料的表面处理通常由三个步骤组成：
清洁：是指清理复合材料表面上的有害污染物，来达到粘合剂与表面紧密接触的水平。接触的任何障碍物都是污染物，必须通过多种清洁技术将其清除或减少到无威胁的水平。
活化：清洁的表面必须具有足够的化学活性，才能与粘合剂形成一级或二级化学键。具有化学惰性的清洁表面无法形成牢固和可靠的结构粘合所必需的化学键。
稳定性：当暴露在使用环境中时，表面必须具有抗降解能力，因此需要保持表面的清洁度和化学活性，直到发生实际的粘合或涂层操作为止。
表面处理这三个方面的相对重要性取决于所考虑的材料类别。例如，金属具有很高的表面能，这意味着表面具有很高的化学反应性并很快被污染，因此及金属的表面处理着重于清洁和产生稳定的氧化物。但是对于复合材料，如热固性和热塑性复合材料不像金属那样容易污染，并且在环境暴露期间相对稳定。
但是，这些相同的特性使粘合剂不太可能粘附到复合材料上。为此，复合材料的表面处理通常集中在上面列出的第二个因素上：增加表面能，以便可以用粘合剂形成牢固的结合。
表面能测试
虽然通常复合材料的表面能较低，但是表面能在不同的材料和复合材料部件中可能会发生变化，并且表面处理也会相应地发生变化。快速、定量地测量物体或材料表面能的能力是设计、实施表面处理重要的第一步。
目前有几种方法可以测试表面能。如BTG实验室经常使用一滴液体在测试表面上形成的接触角来测试。在这种方法中，如果液体在与表面接触时珠化，则表明它没有被吸引到表面上。同样，粘合剂或油漆也不会强烈吸附在该表面上，并且粘合性也很差。污染是表面以此方式排斥液滴的一种原因。
但是，如果液体容易散开，则表明表面强烈吸引液体。这样的表面具有高化学能，并且通常将很好地粘附至粘合剂。表面活性剂的污染也将导致液体在表面扩散，但表面活性剂诱导的润湿性可以通过液体扩散的速率轻易区分。
液滴与材料表面之间的角度（即：接触角）为表面吸引液体提供了一个数据。有几个因素决定了给定表面上良好粘合的目标接触角，包括是否通过搭接剪切接头或双悬臂梁（DCB）评估粘合力。通常，低接触角（0度至〜30-40度）表示具有清洁的高能表面，可与粘合剂和油漆形成良好的附着力。高接触角（60-90度或更大）表示通常难以粘结的低能量或受污染的表面。
高接触角（当水滴成珠状时）通常表示表面惰性，而低接触角（当水滴散开时）表示表面具有高表面能。
热固性与热塑性复合材料
热固性复合材料（例如环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺）和热塑性复合材料（例如PAEK、PEE、PEKK和聚苯硫醚）具有不同的表面特性，并且需要不同的表面处理技术。
在一些情况下，热固性树脂可受益于旨在提高复合材料表面化学反应性的表面覆膜。在去除剥离层之后，这些表面通常显示出在30度范围内的水接触角，并且通常是可粘结的。在聚合物表面特别不活泼的其他情况下，水接触角约为50-60度，可能需要进行表面处理才能获得良好的附着力。
在热固性复合材料上成功应用的另一种表面处理技术是手动或通过喷砂进行的磨蚀。之所以能够进行磨耗，是因为热固性基体树脂是脆性聚合物，在实际磨耗时会由于聚合物链的断裂而断裂，从而形成化学活性表面，因此它们在磨耗时会断裂。该表面可以与粘合剂反应形成坚固、稳定的界面。根据热固性聚合物的不同化学组成，磨蚀可以使水接触角减小10度或更多，这对于良好的粘结已经足够。
但是，热塑性聚合物的行为不同于热固性聚合物。由于热塑性聚合物链不会通过交联而被锁定在刚性网络中，因此它们倾向于流动，换句话说，会发生塑性变形。在磨损下不会发生断裂，尽管磨损的热塑性复合材料可能很粗糙，但它在化学上仍然没有反应性，无法与粘合剂、涂料或密封剂建立良好的粘合。另外，这些表面上的水接触角通常不会随着磨损而明显改变。对于热塑性复合材料，等离子体处理可能是增加表面能的有效方法。
当通过可靠的测试对它进行优化和验证时，等离子体是改变待结合材料表面化学成分的有效方法。
下图显示了用Solvay 377S薄膜胶粘剂粘合的PEKK的搭接强度（垂直轴）与接触角（水平轴）的关系。根据数据，在这种情况下，溶剂擦拭、手部打磨和喷砂处理不会提高接头强度，而等离子处理会使强度提高> 30％。
用Solvay 377S薄膜粘合剂粘合的PEKK的搭接强度与接触角的关系
在大多数结构材料之间都可以实现适用于结构目的的牢固可靠的粘合。但是，对于一类材料来说效果很好的表面处理方法可能不适用于另一类材料。因此，在设计表面处理时，必须考虑到基材和粘合剂的特定化学特性。热塑性复合材料的大多数应用都需要比热固性复合材料具有更高的表面能，因此表面处理应区别对待。