聚碳酸酯（PC）具有良好的透光性能以及优良的抗冲击性能、耐热与耐寒性能、尺寸稳定性和电绝缘性能，广泛应用于轨道车辆车窗和灯罩等的制造。对于轨道车辆车窗和灯罩等的结构连接与缝隙密封， 常采用胶黏剂黏接技术。然而，由于PC 材料表面呈惰性且在生产过程中难免引入脱模剂，其与胶黏剂的胶接界面稳定性和黏接强度较低，因此有必要对PC进行合适的表面处理来提升其黏接性能。

常见的表面处理方法有砂纸打磨、底涂处理和等离子处理等，通常根据基材类型以及服役场景的实际需求选择合适的表面处理方法。砂纸打磨是一 种简单有效的增加表面粗糙度的方法，常用于一些 金属和橡胶等的黏接和涂层沉积中；底涂处理通 常与涂覆胶黏剂或喷涂涂料工艺搭配使用，例如喷涂涂层前先在表面涂敷底涂剂，依靠底涂剂与涂层 间的良好结合力使基材表面涂层附着力提升；等离子处理能够提升材料表面润湿性，从而改善其黏接性能。目前，PC表面处理的相关研究多集中在PC表面润湿性、涂层附着力以及采用液态或糊状的结构胶黏剂来表征黏接效果等方面，有关表面处理后PC与黏度较大的膏状密封胶之间的黏接性能研究较少。

对此，作者采用常压空气等离子处理、砂纸打磨处理、涂覆底涂剂（底涂）等3种方式对PC进行表面处理，分析了其表面性能，研究了其与聚氨酯密封胶的黏接性能，系统讨论了影响PC表面黏接性能的原因。

1.试样制备与试验方法

试验材料为轨道车辆车窗用PC板（厚度 为4mm），由科思创聚合物（中国）有限公司提供；胶黏剂为膏状聚氨酯密封胶，底涂剂为聚氨酯密封胶专用的聚异氰酸酯溶液，均由西卡（中国）有限公司提供。对PC分别进行3种表面处理：用无水乙醇擦洗清洁表面后，采用PREZO BRUSH PZ3型常压等离子发生器垂直于PC 表面进行常压等离子处理，焦距 5mm，移动速度1mm·s−1；用P150砂纸对PC表面进行打磨处理，打磨至表面无光泽且横、纵向磨痕均匀分布，再用无水乙醇清洁表面；用无水乙醇清洁表面后，使用毛刷在PC表面薄涂一层聚异氰酸酯溶液，晾干（约10min）。未进行表面处理的PC仅用无水乙醇进行表面清洁。

采用Kruss DSA30型水接触角测定仪，通过座滴法测试蒸馏水和乙二醇在PC表面的静态接触角，根据Owens-Wendt法计算表面能。采用Agilent 5500型原子力显微镜（AFM）观察表面微观形貌。采用ESCALAB 250 型X射线光电子能谱仪（XPS）测试表面元素和官能团，并计算其相对含量，计算公式如下：

式中：Ci为第i个元素或官能团的相对含量；Ii为第i个元素或官能团的光电子信号强度； ΣIi 为所有元素或官能团的光电子信号强度总和。

采用JSM-7610F型扫描电子显微镜（SEM）观察表面微观形貌，测试前进行喷金处理，喷金电流 2.6mA，喷金时间1.5 min。

按照ISO 21194：2019（E）制备黏附性能剥离试验用试样。在尺寸为30cm×15cm的PC表面制作聚氨酯胶条，胶条宽12mm，高5mm，长200mm。在制作胶条时，挤压出的胶黏剂截面形状应为半圆形或三角形，黏附于PC表面后使用刮刀压胶，胶条在标准条件（温度23 ℃、相对湿度50%）下固化7d。使用壁纸刀沿卷起的胶条根部，以约45°斜向切至PC表面，同时用尖嘴钳子夹紧胶条沿130°~160°方向往后卷，使胶条沿切口发生剥离，持续提高剥离力，直至出现扩展裂纹，如此重复操作，直至胶条完全剥离。在破坏过程中，每次卷起剥离的过程持续约3s，切口间距约为5mm。根据 ISO 10365：2022对试样失效模式进行评价。

如图1所示，将胶黏剂施涂在尺寸为100 mm×25mm×4mm的PC试样一端，涂胶长度12.5mm，涂胶宽度25mm，将另一相同尺寸PC试样置于胶黏剂上方并挤压至胶黏剂厚度为12mm，使用刮刀将侧面挤压出的胶黏剂刮净，在标准条件下固化7d后，在CMT4304型拉伸试验机上进行拉剪试验，夹持段长37.5 mm，拉伸速度18 mm · min−1。根据ISO 10365：2022对试样失效模式进行评价。

图1　拉伸剪切试样的形状与尺寸

2.试验结果与讨论

2.1   接触角与表面能

由表1可见：与未进行表面处理的PC相比，等离子处理后PC表面的水接触角和乙二醇接触角大幅减小，表面能大幅提高，其中表面能极性分量提高，但色散分量略有降低，PC表面润湿性得到显著改善，与文献中关于等离子处理对2mm厚工业级PC表面润湿性影响的研究结果较为一致，说明润湿性的提升主要与表面能极性分量的增加有关；砂纸打磨处理后水接触角增大，PC表面表现出较强的疏水性，乙二醇接触角减小，表面能大幅提高；底涂处理后水接触角减小，表面亲水性增强，表面能增长不明显，但表面能极性分量增长了180%以上，表面润湿性有所提升，由于底涂剂覆盖在PC表面，此时的表面性能主要由固化后的底涂剂自身特性决定。

表1　检测液体在不同工艺处理PC试样表面的接触角及PC表面能参数

2.2   表面官能团与元素

由图2和表2可见：相较于未进行表面处理，3种工艺表面处理后PC表面氧含量均明显升高，砂纸打磨处理后表面还出现大量硅元素，这可能与砂纸导致的污染有关，底涂处理后引入了底涂剂中的氮、硅等元素；结合能为284.8，286.5，289.1 eV处的峰分别对应含碳官能团C― C/C― H、C― O― C 和 O ＝C― O。等离子处理后 C― O― C 和O ＝C― O 相对含量增加，这是因为处理气体中的氧元素和氮元素引入到了PC 表面，从而增加了表面极性。表 面极性的增加有利于提升PC的表面润湿性，从黏接吸附理论来讲还有利于提高胶黏剂与PC表面之间的吸附力。砂纸打磨处理后表面主要官能团为C― C/C― H，表面氧元素主要来自打磨引入的含氧杂质；底涂处理后表面含氧官能团数量明显提升，尤其是引入了极性较大的C＝O官能团。

图 2　不同工艺表面处理前后 PC 表面的 XPS 谱

表2　不同工艺表面处理前后PC表面元素及官能团测试结果

2.3   表面微观形貌

由图3可见，未进行表面处理的PC表面较粗糙，存在大量针状凸起和沟状凹坑（宽度约50nm）。由于聚氨酯胶黏剂的黏度较大（约4000mPa · s）、流动性差、主动浸润能力较差，涂敷在粗糙表面时易因凹坑的存在与PC形成大量的点接触，在胶黏剂固化后凹坑形成的孔洞将作为缺陷残留在黏接界面。底涂处理后PC表面较光滑，形貌为水波状，这是底涂剂自然固化形态，PC表面无明显微细沟壑。试验用底涂剂为聚异氰酸酯溶液，其黏度较小（约10mPa · s）、 流动性好，可以更好地填充润湿PC表面凹坑，并在PC与聚氨酯密封胶之间起到桥梁作用，使得PC与密封胶结合更加紧密。

图 3　未表面处理和底涂处理后PC表面的AFM形貌、SEM形貌及黏接界面示意

2.4  黏附性能

由图4可见：胶条剥离后，未进行表面处理的PC表面为完全界面黏附性破坏，等离子处理和砂纸打磨处理后胶黏剂剥离破坏形貌未发生本质变化，均以界面黏附性破坏为主，底涂处理后表面表现为胶黏剂内聚破坏。对比可知，等离子处理和砂纸打磨处理后PC和胶黏剂的界面结合力较弱，黏接界面早于胶黏剂内部发生破坏，底涂处理后黏附性能明显提升。

图 4　胶条剥离后不同工艺表面处理前后PC的表面宏观形貌

2.5  拉伸剪切强度

由图5可见：PC未进行表面处理、进行等离子处理和砂纸打磨处理后拉伸剪切断口均呈界面破坏，与胶条剥离试验结果一致，拉伸剪切强度均不足1MPa；PC表面进行底涂处理后，拉伸剪切断口呈胶黏剂内聚破坏，拉伸剪切强度为3.06 MPa，与未进行表面处理相比高了约13倍，黏接性能明显提升。

图 5　不同工艺表面处理前后拉伸剪切试样的断口形貌及拉伸剪切强度

由于试验所用底涂剂黏度较小，粗糙的PC表面反而增加了底涂剂与基材的接触面积，并且底涂处理后PC表面较为光滑，胶黏剂可以最大限度地与PC表面接触结合，从而实现牢固连接。此外，底涂分子可以通过一系列化学键合反应与胶黏剂中的聚氨酯分子的活性基团形成化学键，在聚氨酯胶黏剂与基材黏接过程中起到桥梁作用。聚氨酯分子链上含有异氰酸酯（―NCO）和氨基甲酸酯（―NHCOO―），而底涂剂晾干后的主要有效成分为1，6-二异氰酸根合己烷的均聚物，―NCO活性基团易发生水解并分解成CO2和伯胺，伯胺可以与底涂剂或密封胶中的―NCO反应生成取代脲，脲与― NCO进一步反应生成缩二脲链，使聚氨酯大分子链形成交联网状结构。由于聚氨酯胶黏剂为长链结构，底涂剂为短链结构，底涂剂中的―NCO活性基团要远多于胶黏剂，因此胶黏剂与底涂界面的化学交联度明显高于胶黏剂内部的交联度，这也使得PC底涂处理后与胶黏剂的界面结合更牢固。

3.结  论

（1）与未表面处理相比，等离子处理后PC表面与水、乙二醇的接触角均减小，表面能中极性分量明显提升（从9.1 mJ · m−2增加至46.4 mJ · m−2），表面极性含氧官能团含量增加，润湿性提升；底涂处理 后表面水接触角略有减小，表面引入了大量含氧极性官能团，表面能中极性分量由9.1mJ · m−2增加至25.7 mJ·m−2，润湿性有所提升。

（2）底涂处理后PC表面形貌由未表面处理时的纳米级沟状凹坑转变为较光滑的水波状形貌。底涂处理后PC表面的失效模式由未表面处理以及砂纸打磨、等离子处理的界面黏附失效转变为胶黏剂内聚失效，拉伸剪切强度相较未表面处理提高了约13倍，砂纸打磨和常压空气等离子处理后拉伸剪切强度相较未表面处理略有提高。表面底涂处理可以显著提升PC与聚氨酯密封胶之间的黏接性能，砂纸打磨和等离子处理对黏接性能提升不明显。

作者：徐智宝，于壮壮，陈俊宏，王  萌，刘富强，丛  羽

工作单位：中国兵器工业第五二研究所烟台分所有限责任公司

来源：《机械工程材料》2025年2期