一种环保且经济高效的阳极氧化处理方法，用于提升铝-聚氨酯胶粘剂的粘合性能

《Smart Materials in Manufacturing》：Green and cost-effective anodizing approach for enhanced aluminium-polyurethane adhesive joints

本研究提出了一种新型环保的KCl/DMF阳极氧化处理方法，用于增强铝合金与聚氨酯的粘接性能。通过正交实验设计，系统考察了电解液浓度、电压和时间对铝表面形貌和粘接强度的影响。结果表明，最佳处理条件（0.1M, 12V, 5min）可使单搭剪切强度提升3.5倍，断裂能量提高67倍，并实现从粘接失效到界面失效的转换。阳极氧化处理形成多孔氧化层，显著提高表面粗糙度和自由能，促进机械互锁和化学结合。有限元模拟验证了表面纹理对粘接性能的关键作用。该工艺具有成本低、无毒害、易于规模化生产的优势，为金属-聚合物复合材料界面增强提供了新思路。

　　本研究探讨了一种新型的绿色且经济高效的KCl/DMF阳极氧化处理工艺，作为铝（Al）合金（Al2024-T3）表面处理的替代方法，旨在提升金属与聚合物之间的界面结合强度。传统上，酸基阳极氧化处理是提高粘接性能的一种常用方法，但其在实际应用中存在诸多问题，如化学物质的毒性和高成本。本文提出了一种无需使用酸性溶液的阳极氧化处理方式，以减少环境负担和操作风险，同时降低对成本的依赖。研究采用全因子实验设计，系统评估了电解液浓度（0.05–0.1M）、电压（8–12 V）和时间（5–15分钟）对铝表面特性和粘接性能的影响。实验结果显示，经过KCl/DMF阳极氧化处理的铝板在与聚氨酯（PU）粘接后，其搭接剪切强度和断裂能分别提升了3.5倍和67倍，显示出显著的性能增强。此外，通过统计分析，包括主效应、帕累托图和方差分析（ANOVA），确定时间与浓度是影响表面特性与粘接性能的关键因素。扫描电子显微镜（SEM）的断裂分析进一步揭示了KCl/DMF处理后的铝与PU之间形成了强的界面结合，使失效模式从粘接失效转变为完全的基体失效。同时，研究还开发了有限元（FE）模型，用于探讨表面纹理对铝-PU粘接接头行为的影响，模型验证了优化表面纹理对于实现最大搭接接头强度的重要性。

在粘接领域，传统的金属粘接技术通常依赖于化学处理以改善表面特性，从而提高粘接性能。这种处理方法虽然有效，但常涉及有毒化学品的使用，给环境和操作安全带来隐患。此外，其高昂的处理成本限制了其在工业中的广泛应用。因此，寻找一种安全、环保且经济的替代方法成为当前研究的重要方向。本文提出的KCl/DMF阳极氧化处理工艺正是这一趋势的代表，它不仅避免了酸性化学物质的使用，还显著降低了处理成本和环境影响，为金属-聚合物粘接提供了新的可能性。

在实验方法上，研究采用了全因子实验设计，系统地分析了电解液浓度、电压和时间对铝表面特性的影响。通过控制这些参数，研究者能够观察到不同条件下的表面粗糙度、最大谷深和表面自由能的变化。实验结果表明，较高的电解液浓度和较短的处理时间对表面自由能的提升有显著影响，而处理时间的延长则会导致表面粗糙度的增加，这在一定程度上影响了粘接性能。通过SEM和原子力显微镜（AFM）的分析，研究者观察到处理后的铝表面形成了丰富的孔隙结构，这有助于增强粘接时的机械互锁效应。同时，表面自由能的提升也表明处理后的铝表面具有更好的润湿性，从而提高了粘接效果。

在粘接性能评估方面，研究采用了单搭接剪切强度测试，依据ASTM D1002标准进行。测试结果显示，经过KCl/DMF阳极氧化处理的铝-PU接头的剪切强度显著提高，最高可达3.5 MPa，而未处理的样品仅能达到1.09 MPa。这表明，通过优化处理条件，可以有效提升粘接强度。同时，断裂能的提升幅度更为显著，最高可达115.32 mJ/mm3，远高于未处理样品的2.41 mJ/mm3。这一结果进一步说明，KCl/DMF处理不仅增强了粘接的强度，还显著提高了粘接接头的韧性。

在界面行为的分析中，研究还探讨了表面粗糙度与表面自由能之间的相互作用。通过对比不同处理条件下的表面特性，研究发现，适当的表面粗糙度（250–300 nm）和较高的表面自由能（特别是极性成分）有助于实现更强的粘接效果。然而，过度的表面粗糙度反而可能导致应力集中，从而削弱粘接性能。这表明，表面处理的优化需要在粗糙度和自由能之间找到平衡点，以实现最佳的粘接效果。

此外，研究还通过有限元模型对铝-PU粘接接头的失效行为进行了模拟分析。模型结果显示，优化的表面纹理能够显著提高搭接接头的承载能力。尽管模拟中的表面粗糙度参数被放大到微米级，但整体趋势与实验结果一致，表明表面纹理对粘接性能有重要影响。这一发现对于理解粘接接头的力学行为具有重要意义，也为未来的表面处理设计提供了理论依据。

从经济性角度来看，KCl/DMF阳极氧化处理相较于传统的酸性阳极氧化处理更具优势。实验表明，该工艺在相同的处理条件下，成本显著降低，且易于大规模应用。这一特性使得该工艺在工业推广方面具有巨大的潜力。此外，该处理方式能够在常温下进行，无需复杂的设备支持，这进一步增强了其在实际应用中的可行性。

综上所述，本研究提出了一种新型的KCl/DMF阳极氧化处理工艺，成功提升了铝与聚氨酯之间的粘接性能，同时避免了传统酸性处理带来的环境和健康风险。通过系统实验和模拟分析，研究者明确了处理条件对表面特性的影响，并揭示了优化表面纹理对于增强粘接性能的关键作用。这一成果不仅为金属-聚合物粘接提供了一种安全、经济的替代方案，也为未来粘接技术的发展提供了新的思路和方法。