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芳綸纖維(AF)作為一種新開發(fā)的高性能纖維,在其分子結(jié)構(gòu)中的兩個苯環(huán)之間含有85%的酰胺鍵,具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等突出性能,被廣泛用作航空航天、國防軍工、交通運(yùn)輸?shù)榷喙δ軓?fù)合材料的增強(qiáng)材料。

然而,AF本身具有高的化學(xué)惰性、高結(jié)晶度以及表面光滑等特性,成為了制約復(fù)合材料粘結(jié)性能提升的關(guān)鍵因素。復(fù)合材料界面性能決定了纖維的應(yīng)力傳遞效率,直接關(guān)系到復(fù)合材料在使用過程中的安全性和使用壽命。

復(fù)合材料的界面強(qiáng)度是由基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)鍵合能力與機(jī)械互鎖程度決定的,為了增強(qiáng)AF與基體之間的結(jié)合性能,一般需要對其表面進(jìn)行改性處理。表面處理通過改變纖維表面的化學(xué)成分來增加纖維的表面能,從而使纖維擁有更好的表面潤濕性;同時羧基、羥基等活性官能團(tuán)可以與基體材料發(fā)生反應(yīng),在纖維與基體之間形成牢固的共價鍵以增強(qiáng)界面性能。另一方面,改性纖維的表面粗糙度得到了進(jìn)一步的提高,使纖維與樹脂之間的機(jī)械互鎖強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

等離子體處理技術(shù)

等離子體處理法是將芳綸纖維暴露在等離子體中,使其表面發(fā)生物理或化學(xué)變化, 引入活性基團(tuán),提高纖維的表面性能。

芳綸等離子體處理結(jié)果分析

掃描電子顯微鏡

圖1為掃描電子顯微鏡拍攝的等離子體處理前后芳綸織物表觀形貌照片,可以看出等離子體處理對芳綸織物的表面形貌產(chǎn)生了一定影響。(a)圖為未經(jīng)等離子體處理的芳綸,其表面平滑,無明顯的缺陷或不規(guī)則之處,纖維表面潔凈,無明顯顆粒物。(b)~(j)圖為經(jīng)不同功率和時間的等離子體處理后芳綸織物的表觀形貌,處理功率和處理時間已在圖上標(biāo)注出。可以看出纖維表面較為粗糙,出現(xiàn)凹凸和條紋,表明等離子體處理對纖維表面進(jìn)行了物理刻蝕,表面粗糙度增加,可能增強(qiáng)了纖維的表面活性和附著能力,對于后續(xù)復(fù)合材料的制備有利。

圖1 芳綸纖維掃描電子顯微鏡圖(1 500×) :a-未經(jīng)等離子體處理纖維;b-j為等離子體處理后纖維

傅里葉紅外光譜分析

為觀察等離子體處理前后芳綸織物表面的不同化學(xué)組成,對其進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜圖分析。為方便觀察變化,將等離子體處理前后的紅外光譜曲線繪制于同一張堆積圖中。芳綸織物的紅外光譜曲線圖如圖2所示,波數(shù)3305cm-1的吸收峰對應(yīng)于酰胺基團(tuán)N-H的伸縮振動;波數(shù)2850-3100cm?1范圍內(nèi)的弱吸收峰對應(yīng)于C-H伸縮振動;波數(shù)1605cm?1的吸收峰對應(yīng)于C=O伸縮振動。在1500-1600cm?1范圍內(nèi)的多個吸收峰,對應(yīng)于芳香環(huán)的C=C伸縮振動和N-H彎曲振動。在1180-1360cm?1范圍內(nèi)多個小吸收峰,對應(yīng)于C-N伸縮振動。通過紅外光譜曲線對比發(fā)現(xiàn),芳綸樣品等離子體處理后以上特征峰依然存在,并在1738cm?1處出現(xiàn)了一個新的吸收峰-COO-,這表明芳綸在等離子體處理后新增含氧基團(tuán),有利于提高芳綸界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖2 等離子體處理前后芳綸織物紅外光譜圖 

水接觸角分析

等離子體處理前芳綸織物的水接觸角為63.5°±1.0°,不同參數(shù)等離子體處理后芳綸織物的水接觸角如圖23所示。可以看出等離子體處理提高了芳綸織物的表面潤濕性。在處理功率為250W和處理時間為30s時,水接觸角下降到37.4°±0.1°,此時織物表面潤濕性增強(qiáng)最為顯著,處理效果達(dá)到最優(yōu),而進(jìn)一步延長處理時間或處理功率,接觸角略有增加。這是因為等離子體處理對織物表面進(jìn)行刻蝕,使其表面粗糙度增加,比表面積增大,并在表面引入親水性集團(tuán)羥基(-OH)和羰基(C=O),從而降低了水接觸角。然而,過高的功率和過長的處理時間可能導(dǎo)致表面老化或重構(gòu),使得表面特性發(fā)生不利變化,出現(xiàn)接觸角增加的現(xiàn)象。

圖3 芳綸織物水接觸角圖:a-未經(jīng)等離子體處理織物;b-j為等離子體處理后織物 

等離子體處理芳綸纖維是一種有效的表面改性方法,通過提高纖維表面粗糙度和增加表面活性官能團(tuán)含量,進(jìn)而改善芳綸纖維的表面性能,提高其與基體材料間的粘結(jié)性能。