塑料材料的表面处理及技巧.doc

塑料材料的表面处理及技巧 2003-10-24 钢材表面的张力为5005000mN/cm，而塑料、橡胶、玻璃钢等材料的表面张力100mN/cm，所以称为低表面能材料，具有不易附着的涂装特性，所以均需要进行特殊处理。这类材料本身具有很好的防腐能力，涂装的主要目的是装饰及延长使用寿命。 塑料是带有塑性的材料。作为高分子材料，与金属材料相比，塑料具有质量轻，易加工成型、耐水性能好、不腐蚀等优点；但其耐热差、在负荷条件下易变形、热塑性塑料的耐溶剂性能差等缺点。 与金属材料相比，塑料的比强度小，热膨胀系数高，所以经常加入碳纤维、玻璃布、无机填料等进行改性。塑料的电阻很高，一般大于1013cm，容易带静电和沾染灰尘，所以经常加入防静电剂以降低防静电性能，但防静电剂容易迁出，影响漆膜附着。 由于塑料的分子结晶性高，其表面张力小于100mN/cm，不及金属的1/5，属于低表面能表面，导致漆膜附着力小，需要进行特别的表面处理，仔细地选用涂料；另一方面，塑料的溶胀和溶解作用，又有利于溶剂型涂料的附着。 一、塑料的分类 不同类型的塑料具有很大的性能差异，因而对表面处理和涂装的要求相差很大，所以必须了解塑料的分类和名称。 塑料通常可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类，热固性树脂包括酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、环氧、聚氨酯、聚脲、不饱和聚酯、烯丙基树脂、丙烯酸环氧、丙烯酸聚氨酯和有机硅树脂。热塑性树脂包括聚烯烃类：结晶型聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚丁烯、聚丁二烯和非结晶型的聚苯乙烯、聚丁二烯、聚丁二烯-苯乙烯等；乙烯基类：聚氯乙烯、聚乙酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚偏氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯共聚树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚树脂、氯化聚乙烯-丙烯腈-苯乙烯共聚树脂、离子聚合物等；工程塑料：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚丙炔、聚砜、聚酰亚胺、氯化聚醚、氟塑料、线形聚酯等以及纤维素类：硝基纤维素、乙酸纤维素、乙基纤维素等。 塑料名称书写困难、易混淆，所以通常以其英文的首写字母表示，以下是部分塑料的缩写，也可以从手册和塑料缩略语词典中查阅。AAS 丙烯酸-丙烯腈-苯乙烯共聚树脂 ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚树脂 ACS 氯化聚乙烯-丙烯腈-苯乙烯共聚树脂 AS 丙烯腈-苯乙烯共聚树脂CA 乙酸纤维素 CAB 乙酸丁酸纤维素CPE 氯化聚乙烯 EC 乙基纤维素EP 环氧树脂 ETFE 乙烯-四氟乙烯共聚树脂EVA 乙烯-乙酸乙烯共聚物 IO 离子聚合树脂MF 三聚氰胺甲醛树脂 NC 硝基纤维素SB 苯乙烯-丁二烯共聚树脂 SI 有机硅树脂UF 脲醛树脂 UP 不饱和聚酯PA 聚酰胺树脂（尼龙） PBT 聚对苯二甲酸丁二醇酯PET 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PC 聚碳酸酯PCPE 氯化聚醚 PDAF 聚邻苯二甲酸二烯丙酯PE 聚乙烯 PEEK 聚醚醚酮树脂PES 聚醚砜 PESF 聚苯硫醚PF 酚醛树脂 PTFE 聚四氟乙烯PI 聚酰亚胺 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）POM 聚甲醛 PP 聚丙烯PPO 改性聚苯醚 PS 聚苯乙烯PSF 聚砜 PVC 聚氯乙烯PU 聚氨酯 二、表面处理的目的 区别于金属表面，对塑料制品进行表面处理的目的和作用可简单归纳为以下几点。 （1）清除表面静电，除去表面灰尘 其目的是通过溶剂擦洗、高压空气吹干等表面处理，创造一个清洁的被涂塑料表面。 （2）清除脱膜剂 其目的是通过溶剂擦洗、碱水洗等表面处理，消除对对涂膜附着危害极大的，在塑料成型过程中添加的各种脱膜剂，使涂膜牢固附着。 （3）修理缺陷 其目的是通过打磨、涂底漆等表面处理过程，去除毛刺、针孔、裂缝等缺陷。 （4）封闭 其目的是通过涂底漆等表面处理过程，阻止塑料中增塑剂的迁移，保证涂膜的涂装质量和塑料基材的性能不发生变化。 （5）表面改性 其目的是通过打磨、表面活性剂处理、火焰处理、电处理等表面处理过程，使附着面积增大或使表面产生有利于涂膜附着的化学物质或化学键，增强涂膜的附着力。 三、表面处理的方法及技巧 塑料的表面处理主要方法可归纳以下7点。 （1）化学药品处理法 该法主要是利用硫酸-重铬酸钾等化学品水溶液对塑料表面进行处理，从而引入极性基团来增强涂膜对塑料表面附着力。该法可用于各种塑料制品，但由此引起三废处理问题。 （2）表面活性剂处理法 该法主要是利用各种阴离子、非离子、两性表面活性剂的水溶液对塑料表面进行处理，除去表面的灰尘和迁移出的各种助剂，保证涂膜对塑料的附着。该法污染小，有利于无机物的去除，对有机物的去除效果不如溶剂处理法。 （3）溶剂清洗法 该法主要利用三氯乙烷等含氯溶剂对塑料表面进行处理，除去表面的灰尘和迁移出的各种有机助剂，保证涂膜对塑料的附着。该法可采用喷、刷、蒸洗等各种工艺，对有机物的去除效果较好，但容易造成环境污染。 （4）火焰处理法 该法主要利用各种氧化火焰对塑料表面进行处理，从而引入极性基团来增强涂膜对塑料表面附着力。该法处理简单，但容易处理过度造成制品变形。 （5）等离子处理法 该法主要利用各种方式对塑料表面进行放电处理，从而引入极性基团来增强涂膜对塑料表面附着力。该法具有处理时间短，效果好的特点，但设备投资较大。 （6）紫外线处理法 该法主要利用紫外线对塑料表面进行照射，在空气中氧的参与下，使塑料表面引入极性基团或发生活化，从而增强涂膜对塑料表面附着力。该法处理简单，但对底材的选择性较高。 （7）打磨处理法 该法主要利用轻度喷砂或手工打磨的方式，使塑料表面积增大，以达到增强涂膜附着力的目的。该法是最简单的通用表面处理方式，但由于是干式打磨，所以粉尘污染较大。 常用的表面处理方法及特点见表2-55表2-55 塑料常用的表面处理方法及特点 处理方法效果药剂、工具工艺条件特点缺点溶剂清洗（蒸汽法）化学药品处理火焰处理打磨等离子体处理去除油脂和增塑剂等引入极性基团引入极性基团增加表面粗糙度引入极性基团三氯乙烷等H2SO4-K2Cr2O7-水氧化焰砂布、喷砂等电2min70，2min10s13min1030s自动化适用面广处理简单处理简单时间短,效果好效果一般需三废处理易过度变形产生灰尘设备费用大 表面处理后,要注意立即涂装,原则上越快越好,以免重新粘污和逐渐失去活性。 在加工过程中产生的残余应力，会对表面处理和涂装产生不良影响，严重时，在表面形成裂纹，消除方法是采用退火的方式，即加热后，让其慢慢地自由冷却来消除应力。 1、塑料表面的化学药品处理法 该法主要是利用强酸、强氧化物，如硫酸或硫酸-重铬酸钾、铬酸环己烷酯、高锰酸钾、次亚硫酸钠、氯磺酸等化学品水溶液对塑料表面进行处理，通过氧化反应引入含氧极性基团，同时使表面溶蚀粗化，改变了涂层对底材的湿润性，从而增强涂膜对塑料表面的附着力。化学药品处理法对聚烯烃类塑料具有很好的处理效果，但三废处理问题地需要认真对待的问题。 该法可用于各种塑料制品，聚烯烃塑料通常用硫酸-铬酸处理，可产生羟基、羧基、羰基等各种极性基团，聚丙烯比聚乙烯有更好的效果。如：铬酸钾 4.4% 水 7.3% 浓硫酸 88.3% 其工艺过程一般是:首先将工件在7080的酸液中浸泡10分钟,再烘干以促使其发生反应,然后水洗除去剩余的酸,最后烘干,立即涂装。 不同品种的塑料最佳的处理温度和算是时间各异，要根据具体情况确定。 其他塑料如含氟塑料可用金属钠的萘或液胺溶液处理；聚苯乙烯塑料一般用浓硫酸处理；聚酯和聚碳酸酯塑料可用1，6-己二胺或N，N-二甲基丙二胺进行处理；聚甲醛塑料可采用对甲基苯磺酸、磷酸、过硫酸胺、铬酸等处理；聚酰胺塑料（尼龙）可用40%磷酸处理。 2、塑料表面的表面活性剂处理法 该法主要是利用各种表面活性剂除去塑料表面迁移出的各种助剂和灰尘，主要有以下几种类型。 阴离子型表面活性剂：高级脂肪酸金属盐（皂）、-烯烃的硫酸盐、烷基取代苯磺酸盐等。 非离子型表面活性剂：高级醇烷基取代聚氧乙烯（丙烯）加成物、二羟乙基取代脂肪酰胺等。 两性型表面活性剂：氨基酸型、甜菜碱型、AES（脂肪醇聚氧乙烯硫酸盐）等。 表面活性剂可以在赋予塑料表面湿润性、导静电性、防结露性等特殊性能的同时提高塑料的可涂性，保证涂膜对塑料的附着。该法污染小，有利于无机物的去除，对有机物的去除效果不如溶剂处理法。但由于以水为溶剂，不含有机挥发溶剂，符合环保要求而得到越来越多的应用。 可以采用涂布或直接加在塑料中的做法，前者用量少，不影响塑料本身的性能，但表面活性难以长久；后者用量大，效果持久，但有可能影响塑料性能且费用高。采用单一的表面活性剂来去除油脂效果不理想，可以同时加入碱性物质提高乳化性能，加入无机物提高粗糙度。 3、塑料表面的溶剂清洗法 该法主要利用三氯乙烷等含氯溶剂对塑料表面进行处理，是最简单和有效的方法。它可以除去塑料表面的老化产物和粉尘，除去塑料中迁移出的各种有机助剂和残余的单体、低分子产物，产生溶蚀和膨胀作用，增加表面粗糙度，以保证涂膜对塑料的良好附着。该法可采用喷、刷、蒸洗等各种工艺，对有机物的去除效果较好，但容易造成环境污染。 溶剂清洗通常需要保持较高的温度，如聚烯烃塑料可以用三氯乙烷、四氯乙烷、五氯乙烷在85条件下，处理15秒，如加入少量聚反式异戊二烯，则可取得更好的效果。 不同的塑料应根据其自身的特性，选择合适的溶剂。即不能溶解性不好，起不到起码的溶蚀效果，也不能溶解性太大，破坏塑料的正常表面状态，甚至变形。可参考下述选择。 聚苯乙烯：二氯甲烷、甲乙酮、二氯乙烯、甲苯、二甲苯、六氯乙烯等。 聚氯乙烯：邻苯二甲酸二辛酯/乙酸甲酯/乙酸乙酯、邻苯二甲酸二辛酯/甲乙酮（CH3COC2H5）/二氧六环、异佛尔酮/乙酸/甲醇/、甲乙酮/环己烷/环氧丙烷等。 聚碳酸酯：二氯甲烷/二氯乙烯等。 ABS：甲乙酮/二氯甲烷、甲基异丁基酮/二甲苯、甲乙酮等。 聚酰胺（尼龙）：二氯甲烷/苯酚等。 聚甲醛：对甲基苯磺酸/二氯乙烷/二氧六环等。 应特别注意，用热溶剂处理后，不可进行擦拭等处理，否则会失去作用。 采用溶剂法处理，热塑性塑料底材有时会产生细裂纹，这是由于塑料成型加工过程中产生的内应力造成的，在溶剂处理前先进行退火处理消除内应力，可基本解决该问题。 溶剂处理工艺可根据具体情况采用手工擦洗、浸泡、高温蒸煮、蒸汽清洗等各种方法，处理温度一般控制在5090，根据材料的性质而定，一般来说，温度越高，处理时间越短，效果越好，但对安全生产和环境保护带来更高的要求。表2-56是各种塑料的特性，供参考。采用溶剂蒸洗时，一般采用含氯溶剂，温度为7075，参见本章第二节第一部分。表2-56 各种塑料的结晶性、耐热性和耐溶剂性 类别品名 结晶性热变形温度/（4.6105Pa)持续耐热性耐溶剂性脂肪烃芳香烃氯化烃醇类酮类酯类醚类热塑性聚乙烯高608250聚丙烯高90110105聚苯乙烯低699750ABS低8811360聚氯乙烯中8255聚碳酸酯低145148110聚甲醛高124聚酯高182尼龙6高666095聚甲基丙烯酸甲酯低65100热固性环氧树脂低酚醛树脂低三聚氰胺树脂低100注:-耐溶剂性好；-一般；-耐溶剂性差。 4、塑料表面的火焰处理法 该法主要利用各种富含氧气的氧化火焰，如煤气氧化焰、氧气-乙炔焰、液化气-氧气或空气焰、汽油喷灯等对塑料表面进行火焰氧化降解处理，使碳链降解并生成羰基、羧基等极性基团，以达到表面改性和活化等目的，来增强涂膜对塑料表面附着力。该法处理简单，但容易处理过度造成制品变形。 为确保氧化降解反应的快速进行，需要精心调节火焰中氧气和燃气的相对比例，火焰处理时间必须小于10秒，一般为35秒，同时板材的反面要进行降温处理。该法不适合形状复杂的制品。此外，若火焰处理后，再用溶剂等擦试，反而会使塑料表面的含氧量急剧下降从而影响涂层附着力。 5、塑料表面的等离子处理法 等离子处理法也称为电处理法，该法主要利用辉光放电等方式对塑料表面进行放电处理，利用等离子体所具有的高能量和高反应活性的自由基、离子、紫外线等，引发塑料表面分子发生氧化、降解、聚合等反应，从而引入极性基团来增强涂膜对塑料表面附着力。该法具有处理的时间短，效果好的突出特点，但设备投资较大。其处理结果与设备的电压、电极、频率，气体成分（氧、氮、水），温度、湿度、时间等有关。根据放电方式不同，可分为下列几种。 辉光放电：将被处理塑料置于减压容器中的两个平板电极中央进行放电处理，电压较低，主要可用于处理大多数低表面能的聚烯烃和含氟树脂，如特氟隆-聚皿氟乙烯（PTFE）等。 电晕放电：与辉光放电不同之处在于其电极形状为能产生电晕的针状、棒状等电极，主要用于聚乙烯、聚丙烯及聚酯等的薄膜制品进行快速表面处理，氧气、空气和二氧化碳气氛对电晕放电处理具有良好的推进作用。 等离子体喷枪：利用电焊机电源和等离子体喷枪组合，通过大电流放电产生氩等离子体以喷雾形态对空气中的聚乙烯、酚醛等塑料表面进行处理，可使其含氧量大幅提高，其特点是处理时间短（1秒），可覆涂时间长（5天内表面变化不大）。 等离子体聚合：将聚合物单体等离子化，并在塑料制品表面进行聚合反应，比较容易发生反应的单体是丙烯腈、氯苯、苯乙烯等。萘、对二甲苯、甲苯、苯胺、乙烯、乙炔等含不饱和键的单体也有较好的反应活性。 6、塑料表面的紫外线处理法 该法主要利用紫外线对塑料表面进行照射，利用光敏剂如二苯基丙酮或直接在空气中氧的参与下，使塑料表面发生氧化降解，引入极性基团或发生活化，从而增强涂膜对塑料表面附着力。该法处理简单，但对底材的选择性较高。 对聚烯烃的处理过程是洗涤剂清洗、水洗、丙酮清洗、苯洗、紫外照射数小时，应使用250nm以下的短波长紫外光，制品距离光源20cm，温度保持在8090为宜。 7、塑料表面的打磨处理法 该法主要利用轻度喷砂或手工打磨的方式，利