表面處理對聚酰亞胺柔性復合材料粘結性能的影響

田桂芝 武海生 劉 佳 陳維強 趙海偉

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 使用聚酰亞胺（PI）膜和PI纖維編織布制備深空探測用柔性織物復合材料，研究表面處理對PI膜和PI 纖維編織布之間粘結性能的影響。采用自制表面處理劑分別對PI 膜和PI 纖維編織布的表面進行處理，再經硅橡膠膠黏劑粘結制備柔性復合材料。使用T 剝離強度試驗方法測試柔性織物復合材料的層間膠接性能，并分析復合材料剝離面的形貌狀態。結果顯示，PI膜和PI織物的表面處理可以顯著提高柔性織物復合材料的T 剝離強度。其中，PI 膜和PI 織物未經表面處理時，柔性織物復合材料的T 剝離強度為8.9 N∕cm。對PI膜進行表面處理，或者對PI 膜和PI 織物均進行表面處理的情況下，柔性織物復合材料的T 剝離強度增加至11.7 N∕cm 和12.8 N∕cm，分別提高了31.5%和43.8%。這表明對PI膜及PI織物進行合理的表面處理，可以顯著提高柔性織物復合材料的膠接性能。

0 引言

面向我國小行星、火星、木星等深空探測需求，采用柔性結構代替傳統的剛性結構，可以大幅降低結構質量及體積，成為未來深空探測器太陽翼、天線等結構的重要發展趨勢［1-4］。聚酰亞胺（PI）由于其優異的耐高低溫、耐紫外、耐輻照、低介電、高絕緣等性能，越來越多地在航天產品上得到應用。PI 膜廣泛應用于太陽能電池基板、太陽帆、熱控材料、印刷電路板、電機絕緣線等，PI 纖維廣泛應用于空間纜繩、安全繩索、氣瓶等［5-10］。硅橡膠類膠黏劑由于其優異的耐空間環境性能及良好的低溫柔性［11］，成為柔性復合材料膠黏劑的首選。但由于硅橡膠類膠黏劑膠接強度通常較低，用于復合PI膜、PI纖維織物等材料時，其膠接強度成為影響其性能的關鍵問題。采用偶聯劑等方法對PI膜與PI編織布膠接面進行表面處理［12］，是有效提升其膠接強度的重要途徑之一。

本文研究自制表面處理劑對PI 膜、PI 編織布與硅橡膠膠接強度的影響，采用T剝離強度試驗方法對未經表面處理及經過表面處理的試樣進行膠接性能表征，并對測試結果及試件剝離面的形貌狀態進行分析。

1 實驗

1.1 原材料

低苯基甲基硅橡膠、柔性表面處理劑：自制。

聚酰亞胺編織布（PI 平紋編織布）：面密度，40 g∕m2，江蘇先諾新材料科技有限公司。

聚酰亞胺膜（PI膜）：均苯型、厚度25μm，株洲時代華鑫新材料技術有限公司。

1.2 剝離試樣制備與測試

1.2.1 剝離試樣制備

采用低苯基甲基硅橡膠，分別對未經表面處理以及經過表面處理劑處理的PI膜與PI編織布進行膠接，制備了剝離強度試樣待測，試樣表面處理方式見表1，制備流程見圖1。

表1 材料表面處理方式Tab.1 The handing of the surface treatment of the materials

圖1 試件制作流程圖Fig.1 Process flow chart of peel test specimen

1.2.2 剝離試樣測試

采用膠黏劑T 剝離強度試驗方法撓性材料對撓性材料（GB∕T 2791—1995）研究表面處理工藝對PI膜與PI編織布的膠接強度的影響。撓性材料對撓性材料的T剝離試驗是在試樣的未膠接端施加剝離力，使試樣沿著膠接線產生剝離，所施加的力與膠接線之間角度可不必控制。膠接好的試樣在萬能拉伸試驗機上，以恒定速率（100±10）mm∕min 進行剝離，測量試樣剝離所需的力值。剝離試件試樣尺寸見圖2，典型剝離曲線示意圖見圖3，試件圖見圖4。

圖2 剝離試件尺寸示意圖Fig.2 Diagram of peel test specimen

圖3 典型剝離曲線示意圖Fig.3 Diagram of typical peeling curve

圖4 剝離試件圖Fig.4 Diagram of real part of peel test specimen

測試時至少記錄在100 mm 剝離長度內的剝離力，計算相應的剝離強度值。

σt=F∕B

式中，σt為剝離強度，F為剝離力，B為試樣寬度。

2 結果分析與討論

2.1 未經表面處理試樣測試結果及分析

對PI膜及PI編織布均未進行表面處理制得的試件進行T 剝離強度測試。試件破壞時的載荷平均值為22.3 N，剝離強度平均值為8.9 N∕cm，試件測試后的剝離面形貌狀態見圖5。從剝離面狀態可以看出，有大塊的膠黏劑從PI 膜表面剝離脫落，說明膠黏劑與PI 膜的膠接力較差，PI 織物相對于PI 膜表面較為粗糙，因此相對PI膜而言，膠黏劑與PI編織布的膠接力較強。

圖5 PI膜及PI編織布均未經表面處理試樣剝離面形貌狀態圖Fig.5 Morphology of the peel test specimen without surface treatment

2.2 PI膜經表面處理劑處理試樣測試結果及分析

對PI 膜進行表面處理，而PI 編織布未進行表面處理制得的試件進行了T 型剝離強度測試。試件破壞時的載荷平均值為29.2 N，剝離強度平均值為11.7 N∕cm，試件測試后的剝離面形貌狀態見圖6。從剝離面狀態可以看出，膠黏劑在PI 膜表面分布比圖5 中PI 膜未進行表面處理的試件更加均勻，未出現大面積脫落現象，說明膠黏劑與PI 膜的膠接強度增強，由于PI編織布未進行表面處理，相比PI膜的表面，測試后的PI編織布表面膠黏劑較少，說明與經過表面處理的PI 膜相比，PI 編織布和膠黏劑之間的膠接強度較小。

圖6 PI膜經表面處理PI編織布未經處理試樣剝離面形貌狀態圖Fig.6 Morphology of the peel test specimen with the surface of the film treated

2.3 PI 膜及PI 織物均經表面處理劑處理試樣測試結果及分析

對PI膜及PI編織布均進行表面處理制得的試件進行T 剝離強度測試。試件破壞時的載荷平均值為32.1 N，剝離強度平均值為12.8 N∕cm，試件測試后的剝離面形貌狀態見圖7。從剝離面狀態可以看出，PI膜及PI編織布均經過表面處理的試件與未經表面處理的試件相比，膠黏劑在PI 膜及PI 編織布表面均未出現大塊脫落情況，且在膜及編織布表面分布較均勻，說明PI 膜及PI 編織布均經過表面處理的試件其粘接強度相比PI膜及PI織物未經表面處理劑處理的試件顯著提高。

圖7 PI膜及PI編織布均經表面處理試樣剝離面形貌狀態圖Fig.7 Morphology of PI film and PI woven cloth with surface treatment

2.4 結果對比及機理分析

根據以上測試結果，將PI 膜及PI 編織布未經表面處理試件（試件1）、僅將PI膜經表面處理劑處理試件（試件2）、將PI 膜及PI 編織布均經表面處理試件（試件3）三類試件測試結果進行對比，具體見表2。

表2 不同表面處理狀態試件測試結果對比Tab.2 Comparison of the test results of composites with different surface treatments

聚酰亞胺材質表面含有大量羰基或羥基，自制表面處理劑中含有一類具有特殊結構的低分子有機硅化合物，其分子結構中含有與聚合物分子有親和力或者反應能力的活性官能團以及可以水解的烷氧基。烷氧基可以水解成硅醇，與聚酰亞胺的羥基發生作用，形成氫鍵，并可以縮合成—SiO—N 共價鍵，同時硅醇也會相互締合，最終形成網狀結構。同時活性基團可以與膠黏劑中的基團發生反應，形成共價鍵，從而使得表面處理劑將PI膜、PI編織布與膠黏劑相互連接起來，增強了其間的膠接強度。

因此，PI膜（經表面處理）與PI編織布（未經表面處理）以及PI 膜與PI 編織布（均經表面處理）經膠黏劑膠接制得的試件的T 型剝離強度均大于PI 膜與PI編織布（均未經表面處理）與膠黏劑制得的試件的T剝離強度。

3 結論

自制柔性表面處理劑，對PI 膜或者PI 編織布的表面進行表面處理，并使用硅橡膠粘接PI 膜和PI 編織布，制備柔性復合材料。其中，僅對PI膜進行表面處理以及對PI膜和PI織物均進行表面處理后制備的柔性織物復合材料，其T 剝離強度平均值分別為11.7 N∕cm 和12.8 N∕cm，較未經表面處理的柔性織物復合材料的平均T 剝離強度（8.9 N∕cm）分別提高31.5%和43.8%，其破壞載荷也分別提高30.9%和43.9%。結果表明，PI 膜及PI 編織布經過自制表面處理劑處理，均能夠有效提高低苯基甲基硅橡膠對PI膜∕PI 編織布的膠接強度。另外，對PI膜及PI編織布均進行表面處理，可以更加有效地提升柔性復合材料的層間粘接性能。