氟基脱模剂对碳纤维增强塑料(CFRP)粘结性能的影响 - LUMiFrac

由于相比传统的结构连接方法(如铆接)有很多优势，粘接剂连接越来越多地应用于许多行业，。尤其适在纤维增强复合材料行业，因为铆钉会打断纤维，从而削弱了层合板的力学性能。在航空结构中，粘接可以应用于金属-金属接头、复合材料-复合材料接头和复合材料-金属接头，以及部件的装配和修补。

粘接接头的质量取决于胶粘剂、制造工艺、环境和载荷工况，以及被粘接基材的表面。CFRP（碳纤维增强塑料）组件用粘合剂粘合的表面通常是纹理表面，这是由于在生产过程中使用过程中使用脱模布或机械预处理，如砂光或铣削。

脱模布用于纤维增强塑料的制造,有两个目的:在运输和储存过程中保护零件表面以及在随后的工作步骤中（如胶粘剂粘接），产生具有所需表面特性的可粘接表面。然而脱模布的使用并不简单。脱模布不仅很难去除，而且由脱模布产生的表面在粗糙度和元素组成方面发生了改变。本文研究了氟基脱模剂对碳纤维增强复合材料粘接性能的影响。在筛选范围内，研究了14种氟基脱模剂——ETFE脱模薄膜、PTFE涂层玻璃织物以及PTFE纤维织物。初步研究表明ETFE薄膜在粘附方面具有优势。研究内容包括:用剥离试验测定脱模剂的撕裂强度;测定了大气压等离子体预处理前后的元素组成(XPS)和表面特征(SEM)，通过离心黏附试验表征了拓扑结构变化对和黏附强度的影响。

离心附着力试验

常用的方法是通过拉力给出粘着强度的标准化拉力试验。标准化的常规附着力试验有许多缺点。由于样品不对中，它们会产生剪切应力、需要在两侧夹持，而且作为单样品测试，测试非常很耗时。近年来，人们提出了一种利用离心力测试粘接接头粘接强度的新方法。对于粘着强度的测定，离心机试验是一种多试样、单次快速试验的方法。在复合材料领域，它最近被用来研究与生产和修复过程相关的粘结前污染情景对复合金属接头的粘附强度的影响。

材料及样品制备

脱模剂：共选择16种不同类型的脱模剂进行研究。

表1  所测脱模剂一览

CFRP（碳纤维增强复合材料） 样品：CFRP面板由8552/IM7 (12K) UD预浸料制成。

图1 CFRP面板布局(宽210mm，高150mm)。

1:抗剥离性;2、4:共聚焦激光扫描显微镜;3-1、3-2:离心附着力试验;5:扫描电镜和光电子能谱学

对于离心黏附试验的样品，为了减少试验过程中的弯曲，需要5 mm的厚度，这些样品采用了额外的3 mm厚度的CFRP板进行加固。采用薄膜胶粘剂Henkel Hysol 9695.050 PSF NW将增强板与试样结合，并采用常压等离子体进行表面预处理。

离心附着力试验样品

离心附着力试验中使用的样品有着stamp-to-plate的结构(图2)。粘接在碳纤维增强塑料(CFRP)粘结面上的模块化测试基座由铝质粘附体紧固在由铜制成的质量体上组成(图2)。测试基座在粘接面上的直径为10 mm，并在磷酸-硫酸中进行阳极氧化。在阳极氧化之前，所有样品都经过去脂和蚀刻。为了粘接样品，使用了两种双组分粘合剂Henkel Hysol EA 9395和Henkel Hysol EA 9396的混合物。样品在室温下固化60分钟，66℃下固化60分钟(升温速率为2 K/min)，然后冷却至室温，升温速率为2 K/min。

图2 离心试验中使用的试样

等离子表面预处理

等离子体预处理采用Plasmatreat生产的大气等离子体装置，带有RD1004等离子体喷嘴、FG5002S发生器和HTR12变压器。发电机电压为280v，使用的气体是58mba的空气。喷嘴间距为6 mm，进给量为3 m/min，线间距为6 mm。

离心附着力试验

离心粘附试验(CAT)依赖于物体的惯性物理定律。由旋转产生一个连续增加的径向离心力作用于样品。负载的增加通过转速的变化来调节。粘接接头的CAT原理如图3所示

图3 用于测定粘附强度的离心粘附试验(CAT)测量原理、

黑色:CFRP被粘物，绿松石色:粘接剂，红色:铜块体，灰色:粘附体，透明:导向套筒

失效模式

在确定粘接强度后，采用高分辨率显微镜图像对CFRP粘接破坏表面和测试基座进行分析，以表征其破坏模式。观察到的主要失效模式如图4所示。粘接剂失效(ADH)发生在粘接剂/粘附端界面，内聚失效(CO)发生在粘接剂内部，纤维撕裂破坏(FT)发生在CFRP基体内部，在断裂表面显示出纤维，而轻纤维撕裂破坏(LFT)发生在粘结体内部，在界面附近，基体表面有薄层，很少或没有转移纤维。

图4 失效模式

附着强度结果

所研究的脱模剂确定的平均抗拉强度和相应的标准差如图5所示。未进行等离子体预处理的样品平均抗拉强度从大约6 MPa至约33mpa。对于几乎所有的脱模剂，可以观察到层压和胶粘剂之间的粘附失效(ADH)[如图6(左)所示]。只有Sefar 1100-K 020 Peel Ply(样品03-03)的断口分别表现为近内聚失效(CO)和轻纤维撕裂(LFT)。对于未经预处理的样品来说，这也是具有最高粘附强度的脱模剂。

图5

对于所有预处理试样，在离心粘接试验中发现断裂以轻纤维撕裂(LFT)为特征。图6(右)显示了典型的断裂模式。平均抗拉强度在26 ~ 41 MPa之间，因此明显高于未处理样品的值。对于几乎所有的预处理样品，平均抗拉强度是非常相似的。然而，对于这些试样，主要的破坏模式是第一层压层的破坏。因此，实际评估的是层压板的强度。对于剥离层Setex PTFE，测量了最高的整体抗拉强度。对于所有所研究的脱模剂，通过等离子体预处理可以提高抗拉强度。一些样品的平均抗拉强度有很高的标准偏差(约15-20%)。特别是未经预处理的样品。较高标准偏差可以归因于污染的不均匀性。

图6

结论

l   研究表明，多种氟基脱模剂的使用与脱模后的后续等离子体预处理相结合，不会对CFRP构件的粘结性能产生不利影响。

l   此外，结果表明，原始表面的粗糙度对粘接强度有相当大的影响，因此不可忽视。

l   在这项工作的背景下，没有发现层压板表面被氟残留污染与粘接强度之间的相关性。采用常压等离子体预处理可显著降低(对某些样品)表面的氟残留，但选择的等离子体参数不能完全去除污染。需要进一步的研究