注塑生产过程中， 增强大型复杂塑料件表面活性的关键技术

模内等离子体工艺（供应商：Plasmatreat）能够让通常不兼容的两种材料注塑成一个零件。该工艺不需要在机器外部执行任何附加步骤，只是使用一副有三个工位（型腔）的特殊模具。在第一工位中注塑硬胶部分；冷却后转入第二工位，并在第二工位使用连接到模具的静态等离子喷枪对硬胶表面进行大气等离子表面活化改性处理；处理后转入第三工位，并在该工位中将软胶材料注塑到硬胶上，最终实现软胶和硬胶两部分的结合。举个例子，聚丙烯(PP)盖可以直接用热塑性聚氨酯(TPU)密封成型。这样无需进行两个部分的组装和搬运，从而降低了产品成本。

标题图：夹层结构被用于风力涡轮机转子叶片以及其他应用 © Pixabay

德国帕德博恩大学和Plasmatreat 公司的一个联合项目旨在回答这些问题：需要预处理的塑料件表面积可以多大？如何处理形状复杂的零件？研究人员在实验中使用了他们共同开发的PFW30LT等离子体喷枪。该喷枪产生的低温等离子体非常适合用于塑料件的表面处理。

抗剥离强度的测定

实验采用表面活性已经得到增强的塑料和压敏胶之间的抗剥离性来评估大气等离子体的表面效果。塑料试样的材料为聚丙烯（牌号：Purell HP570M；制造商：LyondellBasell），尺寸为150 x 50 x 3 mm（长x宽x高）。试验方法采用180°剥离拉力测试，测试标准：DIN EN ISO 8510–2。将来自德莎胶带公司（Tesafilm）的宽度为15mm的透明胶带以50N的接触力附着在激活的塑料表面的长侧，剥离距离为150mm。

将胶带固定在通用拉伸试验机（型号：Z010；制造商：德国ZwickRoell）的上夹爪上，并将试样固定在下夹爪中。测力计的最大量程为50 N。根据VDI 2019标准进行抗剥离强度的评估。

抗剥离强度等于撕离胶带所需的力F除以德莎胶带宽度b。

接触角和表面自由能的测定

该研究通过测量接触角来评估表面活化及其均匀性，制作了120 x 120 x 35 mm（长x宽x高）的PP试样用于此分析。测试程序按照EN ISO 19403，该标准使用各种测试液体测量接触角和表面能。每种测试液体以5mm的间隔扫描样品表面，并记录相应的接触角。

测试设备采用DSA 100（制造商：德国汉堡的Krüss公司）。每次记录接触角的等待时间为10s。使用水和二碘甲烷测量接触角。这里使用杨氏方程计算接触角。如果测试液体和周围介质的应力是已知的，则可以通过在三相点处测量到的接触角来确定底材的表面张力：

其中σs代表固体的表面能；σl代表液体的表面张力；σsl代表液体和固体之间的界面能。

图1：长度为1.65 m的塑料插板等离子体处理试验台©KTP

图2：最大等离子体处理宽度实验中塑料插板为单排时的情况：抗剥离性测试结果显示所有塑料插板的处理是均匀的（© KTP；图片：Hanse）

图3：塑料插板为多排、处理区域长度减小后的抗剥离强度图，显示所有塑料插板都得到了处理©KTP

大面积零部件

为该项目开发了一个用于大面积零部件静态等离子体处理的试验台（图1）。塑料板可以像插板一样插在该试验台上做等离子体预处理，同时可以处理11块塑料板。处理的表面积为15 x 1650 mm（24750 mm²）。等离子体喷枪和等离子体抽吸装置都用螺丝固定在试验台的盖子上。盖子上装有密封条，用于限定等离子体处理的范围。

未经等离子预处理前，PP板用德莎透明胶带进行抗剥离强度测试的值约为0.2 N/mm。经过120s或150s的等离子体处理后，抗剥离强度增加到最大约0.52 N/mm。结果显示所有11块插板的表面都被活化了，并且在处理时间为150 s时均匀性略高（图2）。

为了研究最大处理宽度，研究人员将试验台的盖子宽度做成250 mm，这样试验台每列可容纳5块塑料插板，因此总共可容纳55块插板。初步研究表明，即使是540秒的等离子体处理也不足以增强整个表面的活性。

图4：新设计的3D零件处理腔©Plasmatreat

因此，通过适当的密封，将等离子体通道的尺寸减小到600 x 250 mm（处理20块插板；150000 mm²）。在该实验条件下，采用与前述研究相同的工艺参数，180秒的等离子体处理可以增强全部表面的活性（图3）。此时测得的抗剥离强度为0.4 N/mm，虽然低于先前进行的研究，但仍比未处理时高出100%。

一系列研究表明，一个静态等离子体喷枪可以在单个模具中处理大面积部件。不过，要让处理更均匀或处理时间更短，还必须改变工艺参数做进一步的研究，如有必要，还可以多使用几个喷枪。

三维组件

为了能够处理除了纯2D几何形状之外的3D几何形状，Plasmatreat开发并改良了各种不同几何形状的等离子体处理腔（图4）。这使得类2D基板的表面能够通过简便集成在模具外部的喷枪进行处理。该喷枪经由一个通道在第二工位中对硬胶部分进行等离子表面活性增强处理。在该应用中，通过调节电离气体压力和使用顺序抽吸单元，能够对高达2cm的简单3D结构进行等离子表面活性增强处理。

图5：采用氮气等离子体处理试样的改良设计©Plasmatreat

用氮气作为工艺气体进行等离子体表面处理约20秒，可以将零件的抗剥离强度从初始的28mN/m提高到平均44mN/m。此外，对于更复杂的3D几何形状，可以通过在第二工位使用这种改良的处理腔让表面活性增强效果更加均匀。在该案例中，改良的处理腔（图5）有效地分布了腔室中的等离子体，并且在前述的抽吸回路的帮助下实现了有效的表面活性增强效果。该案例中试样的最大尺寸为120 x 120 x 35 mm（长x宽x高）。

试验表明，该过程能够对表面进行均匀处理。例如，将聚丙烯和聚乙烯表面的接触角从95°减小到均匀分布的64°。表面能的均匀分布确保了后续工艺的最佳预处理效果。

结论与展望

这些研究已经证明了两种形式（直接在模具型腔内处理以及使用专门设计的处理腔）的模内等离子体工艺均适用于双组分注塑。表面能增加的实验结果说明了等离子体技术在改善双组分注塑表面性能方面的积极潜力。此外，在研究中展示的应用还显示出即使对于软质零件的表面预处理也有很大的潜力，中小型产品对此应该会特别感兴趣。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer，Dennis Rauen，Dr.-Ing. Frederik Mühlhoff，Björn Kolbe，Hassan Schlee，Corinna Hokamp

来源：荣格-《国际塑料商情》

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