硅烷偶联剂作为桥梁，有助于制备高性能聚对苯二甲酸丁二醇酯-铝合金复合材料

《Surfaces and Interfaces》：Silane Coupling Agent as Bridge to Assist in Preparing High-performance Polybutylene Terephthalate-aluminum Alloy Hybrids

硅烷偶联剂处理阳极氧化铝表面与聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）通过超声辅助热压成型制备复合材料，物理互锁与化学键合协同提升界面结合强度，最佳硅烷浓度为4%时结合强度达36.3 MPa，超过未处理样品37%。过高浓度导致孔隙堵塞，强度下降。研究为轻量化材料开发提供新思路。

　　塑料金属复合材料因其轻量化和高性能的特性，在汽车和航空航天领域得到了广泛的关注。近年来，随着对节能减排需求的不断增长，开发新型的塑料金属连接技术成为研究的重点。本文的研究通过引入硅烷偶联剂，对阳极氧化处理后的微纳米孔铝板进行表面改性，再与聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）材料通过超声辅助热压技术进行连接，成功制造了高性能的塑料金属复合材料。研究结果表明，这种连接方式不仅提高了界面的物理嵌入结构，还在界面处形成了新的化学键，从而显著增强了材料之间的结合力。

在当前的工业应用中，塑料金属复合材料的连接方式通常依赖于胶粘剂或铆接。然而，胶粘剂连接存在粘接强度较低、耐候性差以及挥发性有机化合物（VOC）排放等问题。而铆接则会引入应力集中和增加整体重量的缺陷。因此，寻找一种能够有效提升连接性能且环保的新技术显得尤为迫切。PBT作为一种工程塑料，因其优异的化学稳定性、机械强度和电绝缘性能，被广泛应用于汽车零部件和电子元件中。而铝合金（如A5052）则以其良好的耐腐蚀性、焊接性能和中等强度，在航空航天和汽车制造领域同样具有重要地位。将PBT与铝合金结合，不仅可以满足高性能需求，还能有效减轻产品重量，降低能耗。

当前，多种技术被用于聚合物与金属材料的连接，包括超声焊接、注射成型直接连接、摩擦连接成型、熔融沉积成型以及超声辅助热压成型等。这些技术的共同点在于都需要对金属表面进行预处理，以形成特定的微观结构，从而影响连接界面的结合性能。例如，通过喷丸处理铝表面，可以获得不同的粗糙度，并利用玻璃纤维增强聚合物基体以辅助连接。激光蚀刻技术也被用于在铝表面制造部分锥形凹槽，再通过注射成型与玻璃纤维增强的PBT结合，研究发现压力、时间和温度对粘接强度有显著影响。其他研究还发现，激光预处理可以在铝表面形成约40 μm宽、50 μm深的大量凹槽，从而实现与尼龙66的粘接强度达到24 MPa。而远程消融切割（RAC）技术则通过常规M1轨迹激光束预处理刚性样品，成功制造了粘接强度高达36.3 MPa的复合材料。超声振动辅助技术也被应用于碳纤维增强塑料与铝合金的连接中，结果显示超声振动显著提升了粘接强度，达到了无超声振动辅助时的267.50 %。此外，研究还发现超声振动能够增强熔体流动性，降低流动过程中与壁面的剪切摩擦阻力，从而提升材料的填充能力。通过在毛细通道中直接施加超声振动，研究人员观察到熔体流动阻力减少，流动性增强，使得聚合物熔体能够更完整地嵌入微通道中。另一项研究则通过混合电解质阳极氧化技术制备了约20 nm孔径的氧化铝层，并发现电解液比例、电解时间和电流强度对孔结构有显著影响。

硅烷偶联剂作为一种连接无机材料与有机材料的桥梁，常用于改善不同材料之间的相容性。硅烷偶联剂能够在金属表面形成反应层，从而提高与树脂等有机材料的粘接性能。例如，有研究发现，不同种类的硅烷偶联剂能够在铝表面形成反应层，使得与苯酚树脂的粘接强度显著提升。其中，使用AEAPS（N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷）时，粘接强度比未处理样品提高了1.6-2.6倍。另一项研究指出，在橡胶与铝合金的注射连接过程中，硅烷偶联剂的浓度对粘接强度有较大影响。浓度较低时，硅烷层与金属之间的接触较差，而浓度过高则会导致硅烷层过厚，反而降低了接触性。因此，选择适当的硅烷偶联剂浓度至关重要。此外，硅烷的水解过程通常不需要催化剂，但催化剂的使用可以显著加快反应速率。研究发现，γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）的水解通常在酸性条件下进行得更快，但过强的酸性条件可能会抑制缩聚反应。因此，pH值在4-5之间时，水解反应最为适宜。同时，γ-氨基丙基三乙氧基硅烷的水解速率通常比甲氧基硅烷慢，这主要是由于乙氧基（-OC?H?）的水解速率低于甲氧基（-OCH?）。

在本研究中，采用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）对阳极氧化铝表面进行处理，再通过超声辅助热压成型技术与PBT进行连接。研究发现，随着KH550浓度的增加，铝表面的粗糙度逐渐减小，这是由于高浓度的硅烷会在铝表面形成一层结构，导致微孔被堵塞，从而影响塑料的填充性能。然而，当硅烷浓度适中时，可以形成有效的物理嵌入结构，同时促进化学键的形成。具体而言，硅烷在水溶液中会发生水解反应，生成Si-OH和C?H?OH。Si-OH可以进一步脱水形成Si-O-Si键，或者与金属表面的羟基（-OH）发生缩聚反应，形成Si-O-M键，其中M代表金属。在本研究中，Si-OH与阳极氧化铝表面的-OH基团反应，形成Si-O-Al键。与此同时，KH550中的氨基（-NH?）可以与PBT分子链末端的羧基（-COOH）发生反应，形成交联结构，从而在PBT与铝之间建立起桥梁作用，并引入新的化学键，进一步增强连接性能。

研究结果表明，当硅烷浓度为4 %时，粘接强度达到最大值36.3 MPa，比未进行硅烷处理的样品提高了37 %。然而，当硅烷浓度超过4 %时，铝表面的微孔被硅烷层覆盖，导致粘接强度下降。这说明硅烷浓度在连接过程中起着关键作用，过高或过低的浓度都会对最终的连接效果产生不利影响。因此，寻找最佳的硅烷浓度是提高粘接强度的关键。此外，本研究还强调了物理嵌入和化学键的协同效应。物理嵌入结构提供了机械连接的基础，而化学键则增强了分子间的相互作用，使得粘接性能更加稳定和持久。

在实际应用中，塑料金属复合材料的连接技术不仅需要考虑粘接强度，还需要兼顾加工工艺的可行性以及材料的环境适应性。超声辅助热压成型技术作为一种有效的连接方法，能够在保持材料性能的同时，实现高效的连接过程。通过控制硅烷浓度和热压参数，可以优化连接界面的结构，从而提升整体的连接性能。此外，研究还发现，硅烷偶联剂的引入不仅改善了材料之间的连接性能，还对复合材料的微观结构产生了积极影响。硅烷处理后的铝表面形成了更为均匀的微孔结构，为PBT的填充提供了良好的通道，使得熔体能够更有效地渗透到微孔中，形成紧密的连接。

本研究的成果为后续的塑料金属复合材料开发提供了重要的理论依据和实践指导。通过合理选择硅烷偶联剂的种类和浓度，以及优化连接工艺参数，可以有效提升塑料金属复合材料的粘接强度和整体性能。此外，研究还表明，物理嵌入和化学键的协同作用是实现高性能连接的关键因素。这种协同效应不仅能够提高粘接强度，还能增强连接界面的稳定性，从而延长复合材料的使用寿命。因此，未来的研究可以进一步探索不同硅烷偶联剂对连接性能的影响，以及如何通过优化预处理工艺和连接参数，实现更高效的连接效果。

综上所述，塑料金属复合材料的连接技术在现代工业中具有重要的应用价值。通过引入硅烷偶联剂，不仅可以改善不同材料之间的相容性，还能通过物理嵌入和化学键的协同作用，显著提升粘接强度。本研究的实验结果表明，合理的硅烷浓度和连接工艺能够有效制造出高性能的PBT/Al复合材料，为后续相关研究和实际应用提供了重要的参考。同时，该研究也为开发更加环保、高效的连接技术提供了新的思路。随着对轻量化和高性能材料需求的不断增长，塑料金属复合材料的研究将继续深入，为实现节能减排目标提供有力支持。