低溫等離子體處理芳綸纖維復合材料芳綸纖維又稱芳香族聚酰胺纖維,是一種取向度大、結晶度高的新型高性能纖維材料,具有耐疲勞性能優(yōu)異、耐高溫性能好、模量高、耐腐蝕、強度大、滯后損失低和收縮率小等特性,以及有機材料易加工和無機材料力學性能優(yōu)異的特點,常用于制備高性能工程復合材料。但從其化學結構中可知,其是一種含有較大數(shù)量的苯環(huán)通過伸直鏈大分子結構組成的,位阻作用大,使結構中的酰胺基團親和力很弱,其他原子或基團發(fā)生作用很難,化學惰性也比較強,導致其同其它基體材料的粘附性、導熱性、浸潤性、黏結性、粗糙度等都很差,局限了芳綸纖維廣泛使用。為克服其結構活性低、位阻大一系列難點,可對其進行表面改性處理,充分發(fā)揮芳綸優(yōu)異特性。表面處理常見方法有物理方法與化學方法,而反應較強烈的化學方法界面改性,一定程度會損傷其內部結構,且反應過程難控、甚至改性試劑會對環(huán)境造成污染;物理方法一般存在操作誤差大、表面改性反應緩慢、效率不高、浪費資源等;由此與其他改性技術相比,利用低溫等離子體處理成為有效的改性方法,改性反應時間短。其主要優(yōu)勢在于等離子體表面改性的區(qū)域和程度具有可控性,作用深度距材料表面約幾個納米到接近100個納米之間,而纖維本體不受影響的同時,纖維表面性能改性效果顯著。
低溫等離子體改性作用及機理
等離子體技術作用原理見圖1所示,等離子體技術作用為外加電場給予電子獲得能量后,開始在電場中高速運動,具有較大運動能量后與分子發(fā)生碰撞,產生新粒子的過程。
圖一 等離子體改性芳綸纖維作用原理
其作用機理如圖2所示,一是刻蝕。芳綸纖維界面受等離子體高能轟擊,界面呈現(xiàn)細小孔道,產生毛細效應,形成凹凸不平或隆起現(xiàn)象,增加纖維界面比表面積;其二是表面活化。光子、離子和電子直接轟擊芳綸界面,化學鍵獲得能量表面發(fā)生部分分子鏈斷裂而被打開,界面自由基再與在等離子處理中O2或H2O產生的自由基接觸,誘發(fā)自氧化作用,纖維表面形成極性含氧基團(如–OH);其三是界面沉積。使其它氣體(Ar,N2,O2等)分子電離產生活性粒子,主要是離子、激發(fā)態(tài)的原子、電子和·N,·O,O2·,·OH自由基等物質,產生的活性離子反應性強,與界面極性基團發(fā)生作用,界面引入活性種基團,同時發(fā)生植入反應,引入增加界面元素含量物質。根據(jù)電中性原理,等離子體內的正負電荷總數(shù)是相等的,呈現(xiàn)電中性,但在電場的作用下的這些粒子會具有很大的內能和動能,具有打破芳綸纖維的化學鍵能量,促使其產生具有一定形態(tài)極性基團的物質,最終實現(xiàn)芳綸與其它工程材料的有效復合。
圖二 低溫等離子體作用機理低溫等離子體處理芳綸纖維復合材料00224322