The influence of plasma treatment on the surface properties of high-performance thermoplastic

doi:10.1016/0143-7496(89)90030-4

International Journal of Adhesion and Adhesives

Volume 9, Issue 2, April 1989, Pages 88-94

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Abstract

The plasma treatments, corona and low-pressure plasma, were applied to two so-called high-performance thermoplastics, polyetherimide (pei), a liquid crystalline polymer (lcp) and, for comparison, to polypropylene (pp). The treated surfaces were characterized by surface energy studies. In addition, the shear strengths of aluminium-polymer joints using a range of different adhesives were measured. While for pp the changes in surface energy corresponded to the changes in shear strength, for pei aand lcp a clear correlation between pretreatment and adhesive strength could not be found. Different failure mechanisms occured due to interaction of the plasma treatment with the morphological structure of both polymers, adhesive and plastic substrate.

References (7)

C. Weser
Die Messung der Grenz- und Oberflächenspannung von Flüssigkeiten — eine Gesamtdarstellung für den Praktiker-
GIT Fachzeitschrift für das Laboratorium
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Die Oberflächenspannung fester Körper
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W.A. Zismann
Relation of the equilibrium contract angle to liquid and solid constitution
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Cited by (31)

Using in situ polymerisation to enhance adhesion of dissimilar materials
2021, International Journal of Adhesion and Adhesives
Citation Excerpt :
Indeed, even when using an adhesive (e.g. epoxy) to join a metal and thermoplastic polymer, the critical interface is still metal-polymer, though it has just been exchanged to metal-epoxy, rather than metal-thermoplastic (Fig. 1). As such, numerous methods of chemical surface modification exist to further assist bonding such as includes plasma treatments [12,13] and dip-coating [14,15] of metals. The application of an adhesive between the polymer and metal surfaces is commonly used, though, again finding an adhesive which complementarily adheres to each material equally is challenging.
Dissimilar material bonding is a challenge constantly being considered within engineering. This paper presents a method for tailoring metal surfaces by covalently grafting polymers that are directly complimentary to their respective dissimilar material. Acrylic acid was grafted onto the surface of aluminium which was subsequently bonded to poly-lactic acid (PLA), nylon-6, and a nylon-6/carbon fiber hybrid via hot pressing. Improvements over 500% and 100% in lap shear strength were observed when bonded to Nylon-6 and Nylon-6/carbon fiber joints, respectively, while no improvements were observed for PLA. Poly (acrylic acid) grafted to the surface of A36 Steel and adhered to a commercial metal joining epoxy adhesive showed an improvement of 49% in lap shear strength. This paper shows that electro-grafting can be used to both supplement existing adhesive bonding techniques but also act as an avenue for tailoring of dissimilar material interfaces and create novel, adhesive free bonding opportunities with thermoplastics.
Synthèse de polyuréthanes utilisables pour des techniques de microencapsulation-II. Synthèse de polyuréthanes linéaires
1995, European Polymer Journal
Des polyuréthanes linéaires ont été synthétisés par réaction entre un macrodiol (α,ω-dihydrox-ypolyéther), un diisocyanate aliphatique et l'éthanediol comme extenseur de chaîne. Le choix des produits de départ a été effectué en fonction d'une exigence de biocompatibilité du polymère et des propriétés physicochimiques et mécaniques souhaitées, telles que souplesse et résistance mécanique. L'obtention de polyuréthanes solubles dans un solvant organique non miscible à l'eau, de point d'ébullition inférieur à celui de l'eau, a été recherchée pour les utiliser comme matrice de particules par une technique de microencapsulation par evaporation de solvant. Ils doivent en outre être solides, souples et non collants pour permettre la récupération des particules préparées.
Linear polyurethanes have been synthesized through the reaction of a macrodiol (α,ω-dihy-droxypolyether) with an aliphatic diisocyanate and ethanediol as a chain extender. The starting products were chosen so as to ensure biocompatibility of the polymer and appropriate physico-chemical and mechanical properties. The use of these polyurethanes as the matrix for particles prepared by a technique of microencapsulation through solvent evaporation needs polymer soluble in an organic solvent not soluble in water, with a boiling point lower than that of water and they must not be sticky, to facilitate the particles recovery.
Synthèse de polyuréthanes utilisables pour des techniques de microencapsulation-I. Modification chimique d'alcool polyvinylique par des isocyanates d'alkyle
1995, European Polymer Journal
Des polymères comportant en chaînes latérales des groupes uréthane ont été préparés en greffant, par action de monoisocyanates, des segments organophiles sur l'alcool polyvinylique, rendant ce polymère soluble en milieu organique en vue d'une utilisation pour la microencapsulation de molécules chimiques par la technique par evaporation de solvant. Les réactions ont été réalisées à 90 °C dans le DMSO en présence de dilaurate de dibutylétain comme catalyseur avec la quantité d'isocyanate de n-propyle, de stéaryle ou de phényle correspondant au taux de modification voulu (de 5–100%), et les polymères caractérisés par résonance magnétique nucléaire du proton et du carbone et par infrarouge. Ces polymères organosolubles présentent une certaine hydrophilie pour des taux de modification faibles, mais qui diminue lorsque les liaisons carbamate sont plus nombreuses.
In order to obtain polymers allowing the microencapsulation of chemical species by the solvent evaporation process, polymers with grafted urethanes were synthesized through chemical modification of polyvinylalcohol with alkylisocyanates (n-propyl-, stearyl-, or phenylisocyanate). The obtained polymers are organosoluble but still hydrophile for low modification yields, according to surface energy determinations.
Surface modification of polypropylene in oxygen and nitrogen plasmas
1993, Surface and Coatings Technology
We have studied in detail the surface modification of polypropylene (PP) in low pressure plasmas of oxygen or nitrogen. As revealed by electron spectroscopy for chemical analysis, contact angle measurements and scanning electron microscopy, the plasma ensures a quick functionalization of the PP surface with O- and N-containing chemical groups within a few seconds, while a roughening of the surface topography takes place on a distinctly enlarged time scale. The plasma configuration and processing conditions are found to be key parameters for achieving a most effective and economical plasma treatment process. When plasma treated under optimized conditions, PP shows an excellent performance in application tests (e.g. adhesive polymer-metal bonding, adhesion of water-based coatings).
Preparation de surfaces de polymeres par plasma froid pour metallisation par galvanochimie
1992, European Polymer Journal
La nécessité d'avoir un matériau polymère aux propriétés spécifiques et multiples a entraîné le développement des techniques de traitements de surface. Des méthodes chimiques ou mécaniques ont été mises au point et dans la plupart des cas, pour les grandes familles de polymères, elles favorisent l'adhésion d'un métal ou d'un adhésif. Cet article a pour objet d'approfondir l'étude de l'activation de la surface des polycarbonate, polyamide 66 et polysulfone par différents plasmas froids, suivie d'une métallisation-dépôt de couches de nickel, cuivre et chrome-par attaque chimique dans différents bains. Un grand nombre d'essais ont été réalisés concernant aussi bien l'activation de surface par plasma des 3 matériaux que leur métallisation. En ce qui concerne les plasmas, nous avons fait varier successivement la nature des gaz, la puissance et la durée d'exposition, et en ce qui concerne les bains galvaniques, plusieurs bains industriels ont été testés. Les résultats des mesures d'adhérence par pelage montrent que pour le polyamide et le polycarbonate, la métallisation n'est pas satisfaisante. Par contre, le polysulfone est métallisable et des valeurs pouvant atteindre 300 g · cm⁻¹ ont éte obtenues. Il est constaté que des durées d'exposition de l'ordre de 2 min avec l'azote ou le mélange Ar/O₂ et de 5 min avec CO₂ sont convenables. Des traitements plus sévères conduisent à des détériorations physiques et chimiques des surfaces, préjudiciables à l'adhérence.
The need for polymers with various specific properties has lead to development of surface treatment. Chemical or mechanical methods are well developed and, for most polymers, adhesion to metal or an adhesive is increased. This paper deals with the activation of polycarbonate, polyamide-66 and polysulphone surface by cold plasma treatment, followed by metallization (deposition of nickel, copper, chromium) through chemical attack in appropriate baths. Many experiments both on activation and on metallization have been performed. For plasma treatment, dependence on gas nature, discharge power and duration of treatment has been studied; for metallization, various industrial baths have been tested. Adhesion measurements indicate that metallization of plasma modified polycarbonate and polyamide was not successful. Polysulphone has been metallized, leading to a peeling strength of 300 gcm⁻¹. Treatments with nitrogen or Ar/O₂ plasma with 2 min duration, and with CO₂ plasma (duration: 5 min) are efficient. Drastic activation leads to chemical or physical damage of the polymer surface, prejudicial to adhesion.
Thermal degradation and flammability of TiO<inf>2</inf>–polyetherimide nanocomposite fibers
2020, Polymer Bulletin

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Abstract

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