等离子体改性对锂铝硅玻璃-聚氨酯界面粘接性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1149

摘要/Abstract

摘要：

锂铝硅玻璃与聚氨酯胶片之间的界面粘接性能直接影响航空透明件的结构安全性与服役可靠性，等离子体表面改性是增强界面粘接性能的有效途径。本文对锂铝硅玻璃表面进行不同速率下的等离子体表面改性，采用静态接触角测量、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对表面改性效果进行表征，并通过剥离实验定量评估界面粘接强度。此外，结合湿热老化与紫外辐照实验，对粘接界面的环境稳定性进行了评估。结果表明，等离子体表面改性速率为5 mm/s时，玻璃表面能的极性分量提升至42.87 mN/m，表面形成均匀的纳米级粗糙形貌，含氧官能团含量在此条件下达到峰值，表面改性取得了最为理想的效果。锂铝硅玻璃与聚氨酯胶片复合后仍保持较高的可见光透过率和较低的雾度，界面剥离强度达到23 620 N/m。经湿热与紫外环境老化后，该参数下改性的界面同样表现出最优的稳定性，性能衰减程度最低。通过控制等离子体表面改性速率可有效调控锂铝硅玻璃的表面能状态与化学组成，从而显著增强其与聚氨酯的界面粘接性能，研究结果对航空透明件材料界面的可靠性设计与工艺优化具有指导价值。

关键词: 等离子体改性, 锂铝硅玻璃, 表面能, 界面化学组成, 含氧官能团, 剥离强度, 界面稳定性

Abstract:

The interfacial bonding performance between lithium aluminosilicate glass and polyurethane films directly impacts the structural safety and service reliability of aerospace transparent components. Plasma surface modification serves is an effective method to enhance interfacial bonding performance. Through plasma surface modification at varying rates on lithium aluminosilicate glass surfaces， this paper characterized the effect of surface modification using static contact angle measurement， scanning electron microscopy， and X-ray photoelectron spectroscopy， while quantitatively evaluating interfacial bonding strength via peel-off tests. Environmental stability assessments were conducted through combined wet-heat aging and ultraviolet irradiation experiments. Results demonstrates that when the plasma surface modification rate is 5 mm/s， the polar component of the glass surface energy increases to 42.87 mN/m， forming a uniform nanoscale roughness morphology on the surface， and the oxygen-containing functional groups achieves peak content under these conditions， indicating optimal surface modification outcomes. The composite of lithium aluminosilicate glass and polyurethane film has high visible light transmittance and low haze， and the interfacial peel strength is 23 620 N/m. After aging in wet-heat and ultraviolet environments， the modified interfaces maintain superior stability and minimal performance degradation. By controlling plasma surface modification rates， the surface energy state and chemical composition of lithium aluminosilicate glass can be effectively regulated， significantly enhancing its interfacial bonding with polyurethane. These findings provide valuable guidance for reliability design and process optimization of aerospace transparent component interfaces.

Key words: plasma modification, lithium aluminosilicate glass, surface energy, interfacial chemical composition, oxygen-containing functional group, peel strength, interfacial stability

中图分类号:

TB332

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图/表 14

表1 去离子水和二碘甲烷的表面能

Table 1 Surface tension values of deionized water and diiodomethane

Test liquid	$γ L$ /（mN·m^-1）	$γ L d$ /（mN·m^-1）	$γ L p$ /（mN·m^-1）
Deionized water（H₂O）	72.10	19.90	52.20
Diiodomethane（C₂I₂）	50.00	47.40	2.60

表1 去离子水和二碘甲烷的表面能

Table 1 Surface tension values of deionized water and diiodomethane

Test liquid	$γ L$ /（mN·m^-1）	$γ L d$ /（mN·m^-1）	$γ L p$ /（mN·m^-1）
Deionized water（H₂O）	72.10	19.90	52.20
Diiodomethane（C₂I₂）	50.00	47.40	2.60

图1 不同等离子体表面改性速率下玻璃表面的静态接触角和表面能

Fig.1 Static contact angle and surface energy of glass at different plasma surface modification rates

表2 不同等离子体表面改性速率下玻璃表面的静态接触角及表面能

Table 2 Static contact angle and surface energy of glass at different plasma surface modification rates

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Static contact angle/（°）		Surface energy/ （mN·m^-1）	Polar component/ （mN·m^-1）	Dispersive component/ （mN·m^-1）
Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	H₂O	C₂I₂	Surface energy/ （mN·m^-1）	Polar component/ （mN·m^-1）	Dispersive component/ （mN·m^-1）
Untreated	53.00	47.50	48.77	24.52	24.25
9	22.13	31.20	68.13	40.62	27.50
7	21.30	31.83	68.39	41.22	27.17
5	15.00	28.70	70.78	42.87	27.91
3	27.00	34.00	65.74	39.05	26.69
1	31.12	37.67	63.29	37.59	25.70

图2 不同等离子体表面改性速率下玻璃样品表面的微观形貌

Fig.2 Surface microscopic morphology of glass samples at different plasma surface modification rates

表3 不同等离子体表面改性速率下玻璃表面元素的含量变化

Table 3 Changes in content of elements on glass surface at different plasma surface modification rates

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Mole fraction/%				Atomic ratio
Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	C	O	N	Si	O/C	N/C	O/Si
Untreated	33.16	46.78	0.79	19.28	1.41	0.02	2.41
9	31.38	52.05	2.47	14.11	1.65	0.08	3.68
7	28.01	51.45	2.31	18.43	1.83	0.08	2.79
5	25.90	52.22	2.68	19.20	2.02	0.10	2.71
3	31.22	49.25	2.67	16.40	1.57	0.09	3.00
1	32.06	51.02	1.25	15.57	1.56	0.04	3.23

图3 不同等离子体表面改性速率下玻璃的C1s分峰谱

Fig.3 C1s peak fitting spectra of glass at different plasma surface modification rates

图4 不同等离子体表面改性速率下玻璃的Si2p分峰谱

Fig.4 Si2p peak fitting spectra of glass at different plasma surface modification rates

表4 不同等离子体表面改性速率下玻璃表面含碳基团含量变化

Table 4 Variation of carbon group content on glass surface at different plasma surface modification rates

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Mole fraction/%
Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	C—C	C—O/C—N	CO
Untreated	77.78	18.48	3.73
9	74.77	15.04	8.78
7	70.93	16.55	12.52
5	69.01	19.03	11.97
3	70.02	21.98	7.09
1	75.49	18.64	5.87

表5 不同等离子体表面改性速率下玻璃表面含硅基团含量变化

Table 5 Variation of silicon group content on glass surface at different plasma surface modification rates

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Mole fraction/%
Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Si—OH	Si—O—Si	Si—O—C
Untreated	29.48	64.83	5.69
9	40.26	47.29	12.45
7	54.55	34.87	10.58
5	62.52	25.93	11.55
3	40.55	49.41	10.04
1	31.07	56.85	12.08

图5 不同等离子体表面改性速率下样品的光学性能

Fig.5 Optical properties of samples at different plasma surface modification rates

图6 不同等离子体表面改性速率下样品的剥离强度

Fig.6 Peel strength of samples at different plasma surface modification rates

表6 不同等离子体表面改性速率下样品的剥离强度

Table 6 Peel strength of samples at different plasma surface modification rates

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Untreated	9	7	5	3	1
Peel strength/（N·m^-1）	17 798	20 673	21 541	23 620	19 222	18 724
Strength enhancement/%	0	16.2	21.0	32.7	8.0	5.2

图7 不同条件下界面90°剥离强度曲线

Fig.7 Interface 90° peel strength curves under different conditions

表7 不同条件下界面90°剥离强度数据

Table 7 Interface 90° peel strength data under different conditions

Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	Peel strength after 100 h/（N·m^-1）				Peel strength after 200 h/（N·m^-1）				Peel strength after 300 h/（N·m^-1）
Plasma surface modification rate/（mm·s^-1）	（a）	（b）	（c）	（d）	（a）	（b）	（c）	（d）	（a）	（b）	（c）	（d）
Untreated	14 122	15 610	16 410	17 423	11 202	14 562	14 933	16 819	8 638	13 399	14 226	16 583
9	18 235	19 016	17 520	20 642	16 603	18 157	16 394	20 340	14 848	17 644	15 733	19 673
7	19 698	20 615	18 701	20 801	17 821	20 024	17 805	20 657	16 386	19 039	16 875	20 427
5	22 113	23 104	21 606	23 117	20 871	22 591	20 728	22 821	19 635	22 005	19 934	22 841
3	17 630	17 928	17 816	18 703	15 812	17 523	16 837	18 719	14 354	16 645	15 786	18 386
1	16 786	17 101	17 645	18 530	15 113	16 611	16 015	18 118	12 800	15 967	15 384	17 861

参考文献 33

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