等離子表面處理對PEEK(聚醚醚酮)粘接強度的影響

聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)是一種全芳香族半結晶性的熱塑性特種工程塑料,具有良好的機械性能、生物相容性和尺寸穩定性等特點,被廣泛應用于航空航天、國防軍工、電子半導體、醫療器械及汽車制造等諸多領域。此外,由于PEEK的彈性模量接近人體骨骼并且具備射線可透性,被CT、X-Ray等射線照射時并不會產生偽影,使其在口腔醫療領域具有廣闊的應用前景。但是由于PEEK樹脂固有惰性和低表面活性,使其難以與其他牙科樹脂進行有效的粘接,因此提高PEEK的粘結強度成為推進PEEK在口腔醫療行業使用的關鍵因素。

生物醫用PEEK材料等離子表面處理的必要性

由于PEEK材料的表面能低,呈疏水特性,在與復合樹脂結合之后,其界面結合力很低,影響材料的粘結性能,因此通常需要采用一定的處理工藝來提高PEEK的表面性能。濃硫酸、硅涂層的處理方式可以有效增強PEEK材料與樹脂粘結劑的粘結強度,但這類處理方式并不適用于臨床,而使用等離子表面處理機對PEEK材料進行處理,不但能夠有效提升粘結性能,也更加符合醫用臨床的應用要求。

由于等離子體具有高能活性,會與PEEK發生化學反應,生成如CO2、H2O等揮發氣體,能夠輕微刻蝕PEEK試樣表面,提高等離子處理組表面的粗糙度。打磨、噴砂和等離子處理組都能夠提高PEEK試樣表面的粗糙度,增大PEEK試樣與粘結劑的粘接面積,創造一個具有鎖結作用的粘接面,從而提高粘結劑的附著力。

不同表面處理方式對PEEK潤濕角的影響

表面處理方式對 PEEK 潤濕角的影響

圖為不同表面處理方式對PEEK潤濕角的影響,從表中可以看出對照度的接觸角最大,達到84°;打磨組和噴砂組的接觸角相比對照組也有相應的減少;而等離子處理組的接觸角最小,為25°。表面潤濕性主要取決于固體表面粗糙度和表面自由能,根據Wenzel方程:

cosθR=rcosθo

方程中θR代表的是粗糙物體表面的接觸角。由于r代表的是實際固液接觸面積與幾何投影面積的比值,所以r的數值為大于1的常數,所以由Wenzel方程可知,當θ0<90°時,θR<θ0,且θR隨著r的增加而降低。

不同表面處理方式對粘接強度的影響

表面處理方式對粘接強度的影響

從表中可以看出,等離子表面處理組的粘接強度最高,噴砂組次之,對照度的粘接強度最低。由于PEEK表面活化能較低,因此粘結劑很難粘接PEEK,所以對照組的粘接強度最低。打磨組和噴砂組都能夠提高PEEK試樣表面的粗糙度,增大PEEK試樣與粘結劑的粘接面積,創造一個具有鎖結作用的粘接面,從而提高粘結強度]。但是打磨組的粘接強度低于噴砂組,可能是由于打磨組的粗糙度過大,表面條狀溝壑較深,在膠粘過程中,粘結劑覆蓋PEEK試樣的表面,截留住條狀溝壑內的氣泡,致使粘結劑在PEEK試樣表面侵入不充分,導致粘結強度的降低。而噴砂處理后,PEEK試樣表面呈敞開式的淺凹坑,在涂抹粘結劑的過程中,能夠有效排除凹坑內的空氣,增加粘結劑與PEEK試樣的粘接點,提高試樣的粘接強度,有研究表明提高粗糙度并不會明顯增強粘接試件的強度。PEEK試樣經過等離子表面處理后,表面引入羥基、氨基、羧基等極性基團,增加了PEEK試樣與環氧膠之間的粘結力,能夠有效提高PEEK試樣的粘接強度。

總結

PEEK材料化學性質不活潑,表面親水性差,使用等離子表面處理機對其進行處理,可以與材料表面發生多種物理和化學變化,除侵蝕作用外,還能夠在材料表面形成致密的關聯層,以及在材料表面引入極性基團,改善PEEK材料的親水性和生物相容性。