田桂芝 武海生 劉 佳 陳維強(qiáng) 趙海偉

（北京衛(wèi)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(fù)合材料，研究表面處理對PI膜和PI 纖維編織布之間粘結(jié)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(jìn)行處理，再經(jīng)硅橡膠膠黏劑粘結(jié)制備柔性復(fù)合材料。使用T 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法測試柔性織物復(fù)合材料的層間膠接性能，并分析復(fù)合材料剝離面的形貌狀態(tài)。結(jié)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(fù)合材料的T 剝離強(qiáng)度。其中，PI 膜和PI 織物未經(jīng)表面處理時(shí)，柔性織物復(fù)合材料的T 剝離強(qiáng)度為8.9 N∕cm。對PI膜進(jìn)行表面處理，或者對PI 膜和PI 織物均進(jìn)行表面處理的情況下，柔性織物復(fù)合材料的T 剝離強(qiáng)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(jìn)行合理的表面處理，可以顯著提高柔性織物復(fù)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(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，可以大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量及體積，成為未來深空探測器太陽翼、天線等結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展趨勢［1-4］。聚酰亞胺（PI）由于其優(yōu)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(chǎn)品上得到應(yīng)用。PI 膜廣泛應(yīng)用于太陽能電池基板、太陽帆、熱控材料、印刷電路板、電機(jī)絕緣線等，PI 纖維廣泛應(yīng)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(yōu)異的耐空間環(huán)境性能及良好的低溫柔性［11］，成為柔性復(fù)合材料膠黏劑的首選。但由于硅橡膠類膠黏劑膠接強(qiáng)度通常較低，用于復(fù)合PI膜、PI纖維織物等材料時(shí)，其膠接強(qiáng)度成為影響其性能的關(guān)鍵問題。采用偶聯(lián)劑等方法對PI膜與PI編織布膠接面進(jìn)行表面處理［12］，是有效提升其膠接強(qiáng)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(qiáng)度的影響，采用T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法對未經(jīng)表面處理及經(jīng)過表面處理的試樣進(jìn)行膠接性能表征，并對測試結(jié)果及試件剝離面的形貌狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

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(shí)代華鑫新材料技術(shù)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(jīng)表面處理以及經(jīng)過表面處理劑處理的PI膜與PI編織布進(jìn)行膠接，制備了剝離強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度的影響。撓性材料對撓性材料的T剝離試驗(yàn)是在試樣的未膠接端施加剝離力，使試樣沿著膠接線產(chǎn)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(yàn)機(jī)上，以恒定速率（100±10）mm∕min 進(jìn)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(shí)至少記錄在100 mm 剝離長度內(nèi)的剝離力，計(jì)算相應(yīng)的剝離強(qiáng)度值。

σt=F∕B

式中，σt為剝離強(qiáng)度，F(xiàn)為剝離力，B為試樣寬度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 未經(jīng)表面處理試樣測試結(jié)果及分析

對PI膜及PI編織布均未進(jìn)行表面處理制得的試件進(jìn)行T 剝離強(qiáng)度測試。試件破壞時(shí)的載荷平均值為22.3 N，剝離強(qiáng)度平均值為8.9 N∕cm，試件測試后的剝離面形貌狀態(tài)見圖5。從剝離面狀態(tài)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(qiáng)。

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

2.2 PI膜經(jīng)表面處理劑處理試樣測試結(jié)果及分析

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

圖6 PI膜經(jīng)表面處理PI編織布未經(jīng)處理試樣剝離面形貌狀態(tài)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(jīng)表面處理劑處理試樣測試結(jié)果及分析

對PI膜及PI編織布均進(jìn)行表面處理制得的試件進(jìn)行T 剝離強(qiáng)度測試。試件破壞時(shí)的載荷平均值為32.1 N，剝離強(qiáng)度平均值為12.8 N∕cm，試件測試后的剝離面形貌狀態(tài)見圖7。從剝離面狀態(tài)可以看出，PI膜及PI編織布均經(jīng)過表面處理的試件與未經(jīng)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(xiàn)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(jīng)過表面處理的試件其粘接強(qiáng)度相比PI膜及PI織物未經(jīng)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(jīng)表面處理試樣剝離面形貌狀態(tài)圖Fig.7 Morphology of PI film and PI woven cloth with surface treatment

2.4 結(jié)果對比及機(jī)理分析

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

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

聚酰亞胺材質(zhì)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(jié)構(gòu)的低分子有機(jī)硅化合物，其分子結(jié)構(gòu)中含有與聚合物分子有親和力或者反應(yīng)能力的活性官能團(tuán)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(fā)生作用，形成氫鍵，并可以縮合成—SiO—N 共價(jià)鍵，同時(shí)硅醇也會相互締合，最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)活性基團(tuán)可以與膠黏劑中的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，形成共價(jià)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(qiáng)了其間的膠接強(qiáng)度。

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

3 結(jié)論

自制柔性表面處理劑，對PI 膜或者PI 編織布的表面進(jìn)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(fù)合材料。其中，僅對PI膜進(jìn)行表面處理以及對PI膜和PI織物均進(jìn)行表面處理后制備的柔性織物復(fù)合材料，其T 剝離強(qiáng)度平均值分別為11.7 N∕cm 和12.8 N∕cm，較未經(jīng)表面處理的柔性織物復(fù)合材料的平均T 剝離強(qiáng)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(jié)果表明，PI 膜及PI 編織布經(jīng)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(qiáng)度。另外，對PI膜及PI編織布均進(jìn)行表面處理，可以更加有效地提升柔性復(fù)合材料的層間粘接性能。