CN103194002B - 一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，本发明涉及表面处理的方法。本发明要解决现有的难粘聚烯烃基木塑复合材料表面处理方法存在无法实现快速粘接以及处理后的胶接接头耐水性能差的问题。方法：一、打磨；二、偶联剂涂覆；三、等离子体处理。本发明综合了偶联剂涂覆和等离子体处理的优势，改善了两种方法存在的不足，提高了聚烯烃基木塑复合材料的胶接强度和耐水性，实现了难粘聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的快速无缝连接。本发明用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的表面处理。

Description

一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法

技术领域

本发明涉及表面处理的方法。

背景技术

木塑复合材料是木质纤维与各种不同塑料通过不同的复合手段所形成的一种新型复合材料，既具有木质纤维材料的高强度和高弹性，又具有塑料的高韧性和耐疲劳等优点，是一种既似木材又优于木材的新型代木材料。木塑复合材料中的基材塑料可采用工业或生活废弃的各种塑料，而木质纤维粉料则可由木材加工的下脚料、小径材以及低品质木材加工而成，也可由麦秸、棉秆、亚麻秆、稻壳等加工而成，因此，木塑复合材料的出现既为废旧塑料的循环利用提供了良好的出路，同时它的代木作用又为节省木材资源、提高木材利用率以及减少农业废弃物焚烧给环境带来的污染起到了不容忽视的作用。

随着森林、石油资源的日益匮乏以及人们环境意识的逐渐加强，木塑复合材料越来越受到人们的重视，木塑复合材料制品的种类也日渐增加，以聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃基木塑复合材料为代表的木塑复合材已在建筑业(地板、护墙板、建筑模板、门窗型材、围栏和护栏以及百叶窗和屋面板等)、汽车工业(车门内装饰板、座椅靠板、车顶内衬等)、包装及运输业、家具业、办公室用品、体育设施等领域得到了广泛的应用。

木塑复合材料通常采用挤出成型方式，在加工过程中，由于挤出热动力学的驱动会将塑料聚集到挤出的表面，尤其是难粘的聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃基木塑复合材料，这样导致材料表面几乎为聚烯烃成分，其极性差，表面能极低，难于粘接；即使经过处理，去掉表面的聚烯烃层，但由于聚烯烃的难粘性，所形成的胶接接头耐水性也差，因而在实际形成木塑制品时大多采用机械连接方式，尽管方便，但对制品的外观产生很大影响，并且也会限制木塑复合材料的应用扩展。

要想实现聚乙烯、聚丙烯等难粘聚烯烃基木塑复合材料以胶接进行的无缝连接，必须先对材料进行表面处理。目前常用的表面处理方法很多，但各有利弊。如：最简单的机械打磨处理，虽可增加表面粗糙度，去掉表面的难粘聚烯烃成分，但材料内部的聚烯烃塑料成分没有发生实质性变化，因而胶接强度提高幅度不大，同时胶接接头的耐水性差；低温等离子体处理方法操作简单，处理后的材料胶接强度可有大幅提高，但由于处理后的材料表面存在时效性，同时因胶接接头的耐水性较差，影响了其在实际生产中的应用；液相化学氧化法通过浓酸和强氧化剂的腐蚀和氧化作用，既可以改变材料表面成分又可以增加表面粗糙度，可以实现胶接强度和胶接耐水性的大幅度改善，但其处理时间长，处理废液对环境造成污染是此方法的劣势；偶联剂涂覆法在提高胶接强度，增加胶接接头耐水性能方面表现突出，但其处理时需铺以高温加热，在实际生产中难以实现快速胶接。其他的处理方法，如火焰处理、电晕放电等方法也不能实现木塑复合材料具有良好胶接耐水性的快速表面处理与胶接。因此，在实际使用过程中，如何实现难粘的聚烯烃基木塑复合材料的快速表面处理与胶接，并且胶接接头具有较高的粘接强度和良好的胶接耐久性是真正实现难粘的聚烯烃基木塑复合材料的无缝连接，扩大其应用范围所亟待解决的难题。

在表面处理的研究中，文献名称为《偶联剂处理对木塑复合材料胶接性能的影响》公开了一种利用偶联剂改善木塑复合材料胶接性能的方法，但是该方法存在处理时间长，无法实现快速粘结的问题；文献名称为《等离子体处理木塑复合材的胶结耐水失效机制》中公开了一种采用等离子体处理木塑复合材表面的方法，但是等离子体处理又存在时效性，以及耐水性差的问题。

发明内容

本发明要解决现有的难粘聚烯烃基木塑复合材料表面处理方法存在无法实现快速粘接以及处理后的胶接接头耐水性能差的问题，而提供的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法。

一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行机械打磨处理；

二、将偶联剂均匀涂覆在步骤一打磨后的聚烯烃基木塑复合材料表面；

三、将步骤二处理后的聚烯烃基木塑复合材料表面进行等离子体处理，控制处理功率为600W～1000W，处理距离为20mm～40mm，处理时间为10s～40s，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法。

本发明的有益效果是：本发明综合了偶联剂涂覆和等离子体处理的优势，改善了两种方法存在的不足，提高了聚烯烃基木塑复合材料的胶接强度和耐水性，实现了难粘聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的快速无缝连接。

通过试验可知协同处理后，聚乙烯木塑复合材料的胶接接头的胶接强度达到16MPa以上，并且产生了材料本体破坏，水浸50h后，强度仍为16MPa以上，水浸100h后，强度为15MPa以上，水浸200h后，强度为14MPa以上，水浸300h后，强度为13MPa以上，水煮浸泡50h后，强度仍为11MPa以上，并且均为材料本体破坏。对于聚丙烯木塑复合材料而言，经过协同处理后，胶接强度和耐水性也都得到了大幅度的提高。这说明本发明显著提高了难粘聚烯烃基木塑复合材料的粘接强度，使胶接接头具有优良耐水性，从而实现了难粘的聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的无缝连接。

本发明用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的表面处理。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行机械打磨处理；

二、将偶联剂均匀涂覆在步骤一打磨后的聚烯烃基木塑复合材料表面；

三、将步骤二处理后的聚烯烃基木塑复合材料表面进行等离子体处理，控制处理功率为600W～1000W，处理距离为20mm～40mm，处理时间为10s～40s，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法。

本实施方式综合了偶联剂涂覆和等离子体处理的优势，改善了两种方法存在的不足，提高了难粘的聚烯烃基木塑复合材料的胶接强度和耐水性，实现了难粘聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的快速无缝连接。

通过试验可知协同处理后，聚乙烯木塑复合材料的胶接接头的胶接强度达到16MPa以上，并且产生了材料本体破坏，水浸50h后，强度仍为16MPa以上，水浸100h后，强度为15MPa以上，水浸200h后，强度为14MPa以上，水浸300h后，强度为13MPa以上，水煮浸泡50h后，强度仍为11MPa以上，并且均为材料本体破坏。对于聚丙烯木塑复合材料而言，经过协同处理后，胶接强度和耐水性也都得到了大幅度的提高。这说明本实施方式显著提高了难粘聚烯烃基木塑复合材料的粘接强度，使胶接接头具有优良的耐水性，从而实现了难粘的聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的无缝连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的机械打磨为手工砂纸打磨或电动砂纸打磨。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中用于机械打磨的砂纸的粒度为100～400目。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中偶联剂为硅烷类偶联剂、磷酸酯类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、有机铬络合物类偶联剂、硼酸酯类偶联剂、锡酸酯类偶联剂、锆酸酯类偶联剂或锆铝酸酯类偶联剂。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中的磷酸酯类偶联剂为2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基酯磷酸酯。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中的钛酸酯类偶联剂为异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中等离子体处理为低温射流等离子体处理、低温射频等离子体处理、电晕放电等离子体处理或介质阻挡放电等离子体处理。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中采用低温射流等离子体处理，控制处理功率为900W，处理距离为30mm，处理时间为15s。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：处理气氛为空气、氧气或氮气。其它与具体实施方式一相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：

本试验将表面清洁的难粘聚烯烃基木塑复合材料表面进行低温射流等离子体处理，控制处理功率为900W，处理距离为30mm，处理时间为15s，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面等离子体处理的方法。

本试验中难粘的聚烯烃基木塑复合材料为聚乙烯木塑复合材料，等离子体处理气氛为空气，聚乙烯木塑复合材料的尺寸为40mm×25mm×4mm。

采用双组分环氧树脂胶黏剂对未处理以及等离子体处理后的聚乙烯木塑复合材料进行粘接，50℃下固化4小时后备用。试样采用搭接的胶接方式，搭接的长度和宽度分别为15±0.5mm和25mm。胶接强度测试前用砂纸将胶接试样四周的溢胶打磨去除。

将等离子体处理的聚乙烯木塑复合材料胶接试样放入20℃的恒温水浴中分别浸泡不同时间(50h、100h、200h和300h)以及沸水中煮泡50h，同时放入未处理的胶接试样以便进行对比试验，取出后用滤纸擦拭表面水分，在30℃下干燥恒重后备用。参照GB-T17517-1998进行胶接试样的压缩剪切强度测试。

试验二：

本试验将表面清洁的难粘聚烯烃基木塑复合材料表面进行机械打磨处理，采用粒度为180目的砂纸对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行手工机械打磨，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面机械打磨处理的方法。

本试验中难粘的聚烯烃基木塑复合材料为聚乙烯木塑复合材料，聚乙烯木塑复合材料的尺寸为40mm×25mm×4mm。

采用环氧树脂胶黏剂对机械打磨处理的聚乙烯木塑复合材料进行粘接，50℃下固化4小时后备用。试样采用搭接的胶接方式，搭接的长度和宽度分别为15±0.5mm和25mm。胶接强度测试前用砂纸将胶接试样四周的溢胶打磨去除。

将机械打磨处理的聚乙烯木塑复合材料胶接试样放入20℃的恒温水浴中分别浸泡不同时间(50h、100h、200h和300h)以及沸水中煮泡50h，取出后用滤纸擦拭表面水分，在30℃下干燥恒重后备用。参照GB-T17517-1998进行胶接试样的压缩剪切强度测试。

试验三：

本试验将表面清洁的难粘聚烯烃基木塑复合材料表面进行偶联剂涂覆处理，具体是按照以下步骤进行的：

一、采用粒度为180目的砂纸对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行手工机械打磨；

二、将偶联剂均匀涂覆在步骤一打磨后的聚烯烃基木塑复合材料表面，然后在120℃的温度下保持20分钟后冷却至室温，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面的偶联剂涂覆处理。

本试验中难粘的聚烯烃基木塑复合材料为聚乙烯木塑复合材料，聚乙烯木塑复合材料的尺寸为40mm×25mm×4mm，步骤二中偶联剂为KH-560硅烷偶联剂的乙醇溶液，其中KH-560偶联剂的质量浓度为5％。

采用环氧树脂胶黏剂对硅烷偶联剂涂覆处理的聚乙烯木塑复合材料进行粘接，50℃下固化4小时后备用。试样采用搭接的胶接方式，搭接的长度和宽度分别为15±0.5mm和25mm。胶接强度测试前用砂纸将胶接试样四周的溢胶打磨去除。

将偶联剂涂覆处理的聚乙烯木塑复合材料胶接试样放入20℃的恒温水浴中分别浸泡不同时间(50h、100h、200h和300h)以及沸水中煮泡50h，取出后用滤纸擦拭表面水分，在30℃下干燥恒重后备用。参照GB-T17517-1998进行胶接试样的压缩剪切强度测试。

试验四：

本试验的用于难粘聚烯烃基木塑复合材料的协同表面处理的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、采用粒度为180目的砂纸对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行手工机械打磨；

二、将偶联剂均匀涂覆在步骤一打磨后的聚烯烃基木塑复合材料表面；

三、将步骤二处理后的聚烯烃基木塑复合材料表面进行等离子体处理，控制处理功率为900W，处理距离为30mm，处理时间为15s，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料的协同表面处理的方法。

本试验中难粘的聚烯烃基木塑复合材料为聚乙烯木塑复合材料，聚乙烯木塑复合材料的尺寸为40mm×25mm×4mm，步骤二中偶联剂为KH-560硅烷偶联剂的乙醇溶液，其中KH-560偶联剂的质量浓度为5％，步骤三中等离子体处理为低温射流等离子体，处理气氛为空气。

采用环氧树脂胶黏剂对协同表面处理的聚乙烯木塑复合材料进行粘接，50℃下固化4小时后备用。试样采用搭接的胶接方式，搭接的长度和宽度分别为15±0.5mm和25mm。胶接强度测试前用砂纸将胶接试样四周的溢胶打磨去除。

将协同处理的聚乙烯木塑复合材料胶接试样分别放入20℃的恒温水浴中分别浸泡不同时间(50h、100h、200h和300h)以及沸水中煮泡50h，取出后用滤纸擦拭表面水分，在30℃下干燥恒重后备用。参照GB-T17517-1998进行胶接试样的压缩剪切强度测试。

上述试验一～四不同表面处理方法处理后的胶接强度测试结果如表1所示。

上述试验一～四不同表面处理方法处理后的胶接耐水强度测试结果如表2所示。

表1不同表面处理方法处理后的聚乙烯木塑复合材料胶接接头的强度测试结果(MPa)

N-表示强度测不出或胶接接头分离。P-材料本体破坏

由表1和表2可知，协同处理后胶接接头的强度达到16MPa以上，并且产生了材料本体破坏，水浸50h后，强度仍为16MPa以上，水浸100h后，强度为15MPa以上，水浸200h后，强度为14MPa以上，水浸300h后，强度为13MPa以上，水煮浸泡50h后，强度仍为11MPa以上，并且均为材料本体破坏，说明本发明显著提高了聚乙烯木塑复合材料的粘接强度，使胶接接头具有优良的耐水性，从而实现了聚乙烯基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的无缝连接。

试验五：

本试验与试验四不同的是，难粘的聚烯烃基木塑复合材料为聚丙烯木塑复合材料，其余参数与试验四相同。胶接强度测试结果表明，这种协同处理方法对聚丙烯木塑复合材料依然有效。协同处理后，胶接强度由未处理的1.10MPa提高到13.52MPa，材料部分本体破坏；水煮50h后依然具有9.40MPa的胶接强度。说明本发明显著提高了聚丙烯木塑复合材料的粘接强度，使胶接接头具有优良的耐水性，从而实现了聚丙烯基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的无缝连接。

试验六：

本试验与试验四不同的是，步骤二中偶联剂为磷酸酯类偶联剂2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基酯磷酸酯的乙醇溶液，其中磷酸酯偶联剂的质量浓度为2％，其余参数与试验四相同。胶接强度测试结果表明，采用磷酸脂偶联剂的协同处理方法对聚乙烯木塑复合材料依然有效。协同处理后，胶接强度由未处理的1.10MPa提高到14.20MPa，材料部分本体破坏；水煮50h后依然具有10.45MPa的胶接强度。

通过上述试验可证明经过机械打磨、偶联剂涂覆和等离子体协同处理的聚烯烃木塑复合材料，处理时间短、速度快，胶接接头的粘接强度高，且耐水性优良，从而实现了难粘的聚烯烃基木塑复合材料具有良好胶接耐水性的无缝连接。

Claims (6)

1.一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、对难粘的聚烯烃基木塑复合材料表面进行机械打磨处理；

二、将偶联剂均匀涂覆在步骤一打磨后的聚烯烃基木塑复合材料表面；

三、将步骤二处理后的聚烯烃基木塑复合材料表面进行等离子体处理，控制处理功率为600W～1000W，处理距离为20mm～40mm，处理时间为10s～40s，完成难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法；

步骤二中偶联剂为KH-560硅烷偶联剂的乙醇溶液，其中KH-560偶联剂的质量浓度为5％；

或者步骤二中偶联剂为磷酸酯类偶联剂2-甲基-2-丙烯酸-2-羟乙基酯磷酸酯的乙醇溶液，其中磷酸酯偶联剂的质量浓度为2％。

2.根据权利要求1所述的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于步骤一中的机械打磨为手工砂纸打磨或电动砂纸打磨。

3.根据权利要求2所述的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于步骤一中用于机械打磨的砂纸的粒度为100～400目。

4.根据权利要求1所述的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于步骤三中等离子体处理为低温射流等离子体处理、低温射频等离子体处理、电晕放电等离子体处理或介质阻挡放电等离子体处理。

5.根据权利要求4所述的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于步骤三中采用低温射流等离子体处理，控制处理功率为900W，处理距离为30mm，处理时间为15s。

6.根据权利要求5所述的一种用于难粘的聚烯烃基木塑复合材料的偶联剂与等离子体协同表面处理的方法，其特征在于处理气氛为空气、氧气或氮气。