摘要：TPO 凭借其优异的化学稳定性、耐候性等优势，在汽车、建筑等领域广泛应用，但低极性致使其粘结性能不佳，限制了应用拓展。针对此问题，本文采用等离子体设备在大气环境中对TPO材料进行表面处理，制备表面改性TPO-Air材料，并利用XPS、SEM、FT-IR等手段分析了处理前后TPO表面的元素组成、微观形貌变化。研究结果表明：等离子体表面处理能有效改善TPO的粘结性能。其中，TPO-Air的静态接触角约为88°，与纯TPO相比下降了77%；TPO-Air与商用胶黏剂的粘接强度达3.72MPa，相比纯TPO提高了60%。这是由于极性基团的引入增强了TPO与胶粘剂之间的相互作用，有效提升了粘接强度。研究为TPO材料的表面功能化改性提供了理论与实验基础。

关键词：TPO；等离子体；表面处理；粘接强度

Abstract： Thermoplastic polyolefin （TPO）， renowned for its exceptional chemical stability and weather resistance， has been widely utilized in automotive and construction industries. However， its non-polar nature leads to poor interfacial adhesion， significantly limiting its application potential. To address this challenge， this study employed atmospheric-pressure plasma treatment to modify TPO surfaces， resulting in functionalized TPO-Air materials. Comprehensive characterization techniques， including XPS， SEM， and FT-IR， were systematically employed to analyze the evolution of surface elemental composition and microstructural morphology.The results demonstrate that plasma treatment significantly enhances the adhesion performance of TPO. Specifically， the static contact angle of TPO-Air decreased by 77% to approximately 88° compared to untreated TPO. Moreover， the adhesive strength between TPO-Air and commercial adhesives reached 3.72 MPa， representing a 60% improvement over pristine TPO. This enhancement is attributed to the introduction of polar functional groups during plasma treatment， which strengthens interfacial interactions through dipole-dipole bonding and hydrogen bonding mechanisms. The findings establish a robust theoretical and experimental foundation for advancing surface functionalization strategies in TPO-based materials.

Key words： TPO; plasma surface treatment; adhesive strength

随着现代制造业的发展，生产和生活水平不断提高，对于化学材料性能的要求也越来越高[1， 2]。其中，热塑性聚烯烃（TPO）作为新一代高分子材料，凭借其轻量化、耐候性强及可回收特性，已成为汽车工业（保险杠/仪表板）、建筑防水卷材及电子封装等领域的核心材料[3-5]。然而，受限于其分子链中非极性聚烯烃（PP/PE）占比高达70%以上的结构特征，TPO材料的表面能普遍低于30 mN/m，呈现出显著的化学惰性，这直接导致其与涂料、胶黏剂等异质材料界面粘接强度不足，严重制约了在新能源汽车轻量化部件等高端场景的应用拓展[6-8]。

现阶段，为了改善TPO材料的表面活性，通常对其进行表面改性，但仍存在一定的局限性[5， 9， 10]。如火焰处理易导致材料热变形或降解，化学处理易产生有毒废弃物，机械处理易引入应力集中点，破坏表面完整性。相较之下，等离子体表面处理技术因其高效、环保、可控性强的特性，成为一种绿色、低成本、高效的表面处理方法[11， 12]。

等离子体中富含高能粒子，如离子、电子和自由基等[13]，这些粒子对TPO表面具有物理刻蚀作用，能够在不影响材料本身综合性能的前提下，粗化表面结构，增大与其他材料的接触面积[14， 15]；同时，通过活化和引入极性基团（—OH、—COOH），可提高表面化学活性，赋予表面高极性，从而有效提升其粘结性能[16， 17]。如Chiara等[18]通过低压等离子体处理聚丙烯以增强其粘结性，实验结果表明等离子体处理可提升O/C比，其丰富的含氧基团增强材料粘结强度。陈等[19]系统研究了氧气、氮气、空气等离子体表面处理改性及分子接枝防水卷材后的表面基团变化情况，研究发现等离子体处理改性后的沥青基防水卷材表面表现出了明显的亲疏水性变化以及相应的化学官能团吸收峰，证明了等离子体处理改性表面基团的实现以及枝接分子的成功，能够增强防水卷材与混凝土的粘接性能。

基于此，本文基于界面增强机制，采用等离子体表面处理（Air-30s），以空气为处理环境，改变TPO表面性能，制备表面改性TPO材料（TPO-Air）。进一步探究其物理、化学性能，同时将复合材料与商用粘结胶粘合，探究粘结性能。

1 实验部分

1.1 材料

TPO粒料（CA10A），荷兰利安德巴赛尔工业公司；商业胶粘剂，北京秦长城新型建材有限公司。

1.2 等离子体表面处理

将TPO材料在80 ℃下预处理10 min，放入JS - 450 A型等离子体射频溅射装置内进行表面处理30 s，制备表面改性TPO-Air，如图1所示。溅射装置的工作气体为空气，真空度为5 ～ 10 Pa，功率为200 W。

1.3 表征

采用Vertex 70型傅立叶变换红外光谱仪对TPO、TPO-Air材料进行红外光谱测试，光谱范围：4000-400 cm⁻¹，分辨率：4 cm⁻¹；剪取TPO、TPO-Air材料并用导电胶固定于载物台上，喷金50 s后进行扫描电子显微镜（SEM）观测，工作电压为15 kV；采用视频光学接触角测定仪对TPO、TPO-Air材料表面的水接触角进行测定，水滴体积设定5 μL。采用UTM 4200型万能试验机对TPO、TPO-Air材料，按照GB/T 1040.1-2018标准进行力学性能检测，同时裁剪10 mm *2.5 mm TPO、TPO-Air材料，在样品末端区域涂抹2.5 cm*2.5 cm的粘结胶，定型固化24 h进行粘结性能检测。裁剪尺寸为1 cm*1 cm的TPO、TPO-Air材料，采用美国-Thermo Scientific-ESCALAB Xi+进行XPS测试，选用Al/Mg X射线靶源，功率为400 W。

2 结果与讨论

2.1 TPO和TPO-Air材料的形貌结构表征

图2为TPO和TPO-Air材料的SEM图。通过图2（a）和（c）低倍SEM可以观察到，TPO材料表面呈现低粗糙度的光滑形貌，无明显的微观结构。而经过等离子体表面处理后，材料表面出现沟壑和凹点。进一步对微观形貌进行高倍观察，如图2（b）和（d），可以发现，在等离子体处理后，TPO表面出现纳米级的凹坑和沟壑，同时产生蜂窝状结构。这可能是由于氧、氮活性物种（O·、O₃、O₂⁺、N·、NOx、N₂⁺等）轰击TPO表面，选择性刻蚀非晶区或低分子量组分，从而粗化表面，提高表面能，增大比表面积，为之后的胶粘提供更多的机械锚定点，增强界面结合力，提高粘结强度。

2.2 TPO和TPO-Air材料的红外光谱表征

图3为TPO和TPO-Air材料的FT-IR图。从图中可以看出，两者均在2906 cm-1附近出现吸收峰，这是PP和PE烷烃链段的C-H伸缩振动峰（-CH₃、-CH₂-）。同时在721 cm-1附近出现吸收峰，表征了TPO长链烷烃的规整性。在经过等离子体处理后，材料在该两处吸收峰强度有微小的减弱，表明等离子体轰击导致表层烷烃链断裂或重组，破坏长链烷烃结构，增加了链段无序性。进一步观察发现，经过等离子体处理后，材料在1780 cm-1附近吸收峰强度增加，这是羰基或羧基基团的C=O伸缩振动峰，表明经过等离子体表面处理，TPO表面会引入一定含氧官能团，发生氧化反应。

2.3 TPO和TPO-Air材料的X射线光电子能谱表征

图4为TPO和TPO-Air材料的XPS测试谱图。通过图4（a）的全谱图观察到，经过等离子体处理后的TPO-Air材料，由于氧、氮活性物种活化TPO表面，使得O元素含量明显提升，出现显著的N元素的特征峰。同时对C 1s、N 1s和O 1s的精细谱图进行探究，如图4（b-c）所示。可以发现，在经过等离子体处理后，材料出现了C-O-C（286.0 eV）和C-N（400 eV）官能团的结合能，同时O 1s中的特征峰明显增强，证实了TPO-Air材料经过等离子体处理具有更丰富的含氧官能团。分析其原因可能为：当材料经过等离子体表面处理，等离子体的能量活性超出含氧官能团的化学键的键能，高能粒子的冲击使得化学健断裂[20]。由于处理环境为空气，气体吸收辐射能量后分解生成大量的含氧或含氮自由基，这些自由基与断裂的化学键相结合，从而给材料引入大量的极性基团，改变其化学性质。

2.4 TPO和TPO-Air材料的力学性能表征

图5为TPO和TPO-Air材料的应力-应变曲线。可以发现，在经过等离子体表面处理前后，两者的抗拉强度（8.34 MPa）和断裂伸长率（671.1%）相差不大。这是TPO的力学性能源于分子链之间的相互作用和结晶结构，主要取决于聚合物的分子量、分子链的规整性以及结晶度等因素。在等离子体表面处理过程中，一方面，等离子体的刻蚀作用可能会使表面区域分子链发生断裂，导致表面层的分子量降低，从而对拉伸强度产生一定的负面影响；但另一方面，表面处理引入的极性基团和微观粗糙度的改变，可能会在一定程度上改善材料的界面结合，具有更好的应力传递机制，提高整体的拉伸强度。综上，经过等离子体表面处理，并不会改变TPO材料本身原有的优异力学性能。

2.5 TPO和TPO-Air材料的静态水接触角

图6为TPO和TPO-Air材料的水接触角测试。可以发现经过等离子体处理，TPO材料的静态水接触角有显著的降低，由113°降低至88°。分析原因可能有两方面：一是向样品中引入了极性基团。二是由于生产和处理TPO材料过程中有一些灰质、低分子产物和端基集中在表面的无定形相中，结合力较弱。当受到高能离子束的撞击后，容易发生解析溅射，从而脱离，在样品表面产生无定形相界面，粗化样品表面，降低水接触角。

2.6 TPO和TPO-Air材料的粘结性能

图7（a）为TPO和TPO-Air材料的粘结性能测试示意图。图7（b）实验结果表明，经过等离子体处理，其粘结性能具有明显的提升，此时TPO-Air材料的粘结强度为3.72 MPa，比未处理样品提高了60%。这是由于经过等离子体表面处理，充分改善了材料界面浸润情况，提高了材料的表面能和极性，对提高材料与粘结胶间的结合力发挥了非常重要的作用；同时大量的无定形相界面的出现，增加了材料与粘结胶的有效接触面积，提升了粘结胶分子在材料表面的有效扩散，从而提升了粘结力。

之后对断裂面进行观察发现，如图7（c）所示。将两者进行对比发现，TPO的粘结弱点大部分为界面破坏，而TPO-Air材料主要发生胶粘剂的本体破坏，具有更少的界面断裂，表明等离子体表面处理能够进一步增强TPO材料的粘结性能。

3 结论

（1）等离子体处理可在TPO材料表面引入含氧基团，提高其亲水性。

（2）与TPO相比，TPO-Air材料与胶粘剂的粘结强度提高了60%，且主要发生胶粘剂的本体破坏，表明TPO-Air材料具有优异的粘结性能。

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