低溫等離子體處理改性PBO纖維表面性能

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-11-03

PBO(聚對苯撐苯并雙噁唑)纖維具有低密度、優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能和高耐氧指數(shù)等特點，該纖維斷裂強(qiáng)度可達(dá)5800MPa，HM型模量可達(dá)280GPa，AS型模量可達(dá)180GPa，同時，PBO纖維也具有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性，其熱裂解溫度為600～700℃。因其本身顯著的特點，在航空航天、軍工國防、星球探測、體育器材、建筑材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，圖1為PBO纖維應(yīng)用輪圖，被視為航空航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的新一代超級纖維，也被認(rèn)定是一種在21世紀(jì)能與高性能碳纖維競爭的有機(jī)超級纖維，是目前綜合性能最好的有機(jī)纖維。在以PBO纖維為增強(qiáng)纖維的樹脂基復(fù)合材料，可在環(huán)境較為苛刻和承載能力要求較高的結(jié)構(gòu)件上使用。同時將PBO織物與膜材做成的層壓織物，使其具有良好的阻燃、拒水等功能，在開發(fā)功能織物方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。但PBO纖維本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子中含苯環(huán)及芳雜環(huán)，分子結(jié)構(gòu)呈鋼棒狀，分子鏈在液晶紡絲時形成高度取向的有序結(jié)構(gòu)，圖2為PBO纖維分子結(jié)構(gòu)圖，圖3為PBO纖維分子單體模型。纖維表面光滑且缺少活性基團(tuán)，本身呈化學(xué)惰性，與基體間不能良好的浸潤，致使界面粘結(jié)性能很差，這極大影響了增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料中力學(xué)性能的發(fā)揮，嚴(yán)重制約了PBO纖維在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展。所以對PBO纖維表面改性處理非常有必要，通過表面改性處理，旨在改變其表觀形態(tài)，改善其粘著性，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。低溫等離子體技術(shù)作為一種干法處理手段，經(jīng)濟(jì)、高效、無污染，是一種較為理想的表面改性技術(shù)。

表面處理技術(shù)可以改變材料表面的物理、化學(xué)性能，從而改善材料本身存在的一些缺陷。等離子體改性技術(shù)具有許多優(yōu)點:與傳統(tǒng)的化學(xué)處理相比，等離子體表面改性是一種干式工藝，不需要水和化學(xué)試劑，因此具有節(jié)能、無公害的優(yōu)點;與同為干式工藝的放射線處理、電子束處理、電暈處理等相比，其獨特之處在于等離子體表面處理的作用僅涉及表面極薄的一層，因而在使界面物性顯著改變的同時纖維本體性能并不受影響。因此，在表面改性技術(shù)中，等離子體改性技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。等離子體按照離子溫度的高低，可分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體是以高頻振蕩電源磁場感應(yīng)耦合的方式進(jìn)行低壓輝光放電，電離產(chǎn)生低溫等離子體，產(chǎn)生的電子溫度高達(dá)105K，但氣體卻以低溫態(tài)存在，具有雙溫特性，能促使纖維表層的大分子鏈斷裂而呈現(xiàn)出粗糙不平的微觀狀態(tài)，為進(jìn)一步改性創(chuàng)造條件，且不會造成高分子材料的熱分解，較適用于紡織品處理。低溫等離子體處理高分子材料具有條件溫和、時間短、效率高、耗能耗水量少、清潔環(huán)保、對被處理材料無特殊要求、改性只發(fā)生在材料表面100nm范圍內(nèi)等特點，可在不損傷材料基本特性的基礎(chǔ)上，賦予材料新的功能。

低溫等離子體表面改性的原理

應(yīng)用低溫等離子體轟擊高聚物或?qū)⒏呔畚镏糜诘蜏氐入x子體環(huán)境中，高聚物表面會受到活性粒子轟擊、濺射、氧化等作用，其表面會產(chǎn)生刻蝕以及其他的化學(xué)反應(yīng)。高性能纖維的表面低溫等離子體處理主要會產(chǎn)生3種作用：①刻蝕。低溫等離子體中活性粒子的轟擊，使等離子體與纖維表面發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性氣體除去；②表面活化。低溫等離子體氣體與纖維表面反應(yīng)并在其表面生成化合物，使纖維表面成分發(fā)生顯著變化，改變其表面性能；③表面沉積。兩種氣體在等離子體狀態(tài)下相互反應(yīng)，從而形成新的物質(zhì)沉積到高性能纖維的表面，即為固體表面的氣相沉積。PBO纖維化學(xué)元素主要是C、H、O、N，低溫等離子體的處理，等離子體氣體的不同作用的方式也有所差異，如O2、空氣的處理，可以刻蝕PBO纖維表面也可引入新的極性基團(tuán)。如He、Ar等離子體的處理，則主要是將能量傳遞給PBO纖維表層分子，使之活化生成鏈自由基，引導(dǎo)其與其他材料發(fā)生接枝反應(yīng)。

低溫等離子體技術(shù)在PBO纖維表面改性中的應(yīng)用

低溫等離子體對PBO纖維的處理，改變了其表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成，進(jìn)而改變PBO纖維的表面性能。

低溫等離子體處理對PBO纖維表面結(jié)構(gòu)和性能的影響
采用掃描電鏡（SEM）分析了空氣等離子體處理對PBO纖維表面宏觀形貌的影響，如圖4所示。從圖4可以看出，未處理的PBO纖維表面光滑；處理后的PBO纖維表面凹凸不平，有刻痕和被剝離現(xiàn)象。空氣等離子體處理PBO纖維表面發(fā)生了刻蝕作用，表面粗糙程度增加，這也印證了處理后的PBO纖維比表面積增加，有利于改善PBO纖維的潤濕性。

圖4 等離子體處理前后PBO纖維表面宏觀形貌的變化

等離子體處理對PBO纖維表面水接觸角影響
低溫等離子體處理前后PBO纖維與水的接觸角見表1。

由表1可以看出，經(jīng)空氣低溫等離子體處理后，PBO纖維的接觸角為27.44°，未處理的接觸角為72.61，改性后接觸角明顯降低。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團(tuán)的變化有著密切關(guān)系。觀察發(fā)現(xiàn)，未處理PBO纖維表面水滴鋪展速度較慢，400ms甚至800ms后，接觸角的變化不大；而經(jīng)處理后的PBO纖維，其表面水滴鋪展迅速，80ms后接觸角迅速減小，200ms后水滴完全鋪展開來，進(jìn)一步反映了等離子體處理后PBO纖維潤濕性增強(qiáng)。

低溫等離子體對PBO纖維表面處理，其表面發(fā)生的化學(xué)作用機(jī)理與所使用氣體種類有關(guān)。通過低溫等離子體的處理，纖維表面產(chǎn)生刻蝕，粗糙程度增加，致使纖維的吸濕、染色、粘合等性能得到改善；低溫等離子體產(chǎn)生的高能粒子或紫外光子打擊纖維材料，會使其表面產(chǎn)生自由基，引發(fā)新的化學(xué)反應(yīng)，如表面發(fā)生交聯(lián)作用；同時，低溫等離子體對PBO纖維材料的處理使纖維材料表面化學(xué)組成發(fā)生改變，進(jìn)而改變其表面性能。