聚合物涂層對(duì)等離子體處理有機(jī)纖維表面及復(fù)合材料界面性能的影響.pdf

1、高性能有機(jī)纖維，如對(duì)苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維、芳綸(如Twaron)纖維等，因其卓越的拉伸強(qiáng)度、模量、韌性和優(yōu)異的耐高溫、抗沖擊等性能，受到了越來越多的關(guān)注。而高性能有機(jī)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料則具有較高的斷裂韌性、損傷容限、抗沖擊性能以及良好的可加工性能。常應(yīng)用于航空航天、國防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域。但是因?yàn)镻BO纖維和Twaron纖維都具有表面光滑，缺少極性基團(tuán)，表面化學(xué)惰性等特點(diǎn)，使得其很難與樹脂基體產(chǎn)生優(yōu)良的粘結(jié)，造成其增強(qiáng)含

2、二氮雜萘結(jié)構(gòu)聚醚砜酮(PPESK)樹脂基復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度很差，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮。因此，需要對(duì)芳綸和PBO纖維表面進(jìn)行改性，以改變其表面化學(xué)性能和表面物理形貌，提高其表面浸潤性能，最終有效地提高復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能。
　　本文用射頻感應(yīng)耦合等離子體(ICP)對(duì)PBO和Twaron纖維進(jìn)行表面處理，隨即進(jìn)行聚合物涂層處理，采用紅外光譜(FTIR)、X-射線光電子能譜(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子

3、顯微鏡(SEM)及動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試(DCAA)等分析測(cè)試手段分析了經(jīng)聚合物涂層處理前后纖維的表面化學(xué)性能、物理形貌以及表面浸潤性的變化關(guān)系進(jìn)行測(cè)試。采用層間剪切強(qiáng)度(ILSS)、吸濕率和SEM對(duì)復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度、耐濕熱性能和斷面形貌進(jìn)行分析，并探討了改性后界面粘結(jié)強(qiáng)度改善的機(jī)制。
　　論文以復(fù)合材料的ILSS為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過正交試驗(yàn)法討論了涂層液濃度及氧氣等離子體放電參數(shù)對(duì)環(huán)氧樹脂涂層改性PBO增強(qiáng)PPESK復(fù)合材料力學(xué)性能的

4、影響。確定最佳工藝條件為:放電時(shí)間10 min、放電功率為100 W、放電氣壓為30 Pa、涂層液濃度為3％。研究表明，涂層改性明顯地改善了PBO纖維的表面性能、加大了表面粗糙度，提高了其表面自由能，有利于其與基體樹脂的潤濕。最終，復(fù)合材料的ILSS有了56.3％的提高，吸濕率降低了27.3％，材料的破壞模式也從界面脫粘轉(zhuǎn)變?yōu)楸倔w破壞。
　　用氧氣等離子體處理了PBO纖維表面，并用PEK-C和PES-C兩種熱塑性樹脂對(duì)纖維進(jìn)行涂層

5、改性。XPS結(jié)果顯示兩種聚合物涂層處理后的PBO纖維表面氧元素含量升高，且引入了酯基、羰基或者砜基等活性基團(tuán)。纖維的表面粗糙程度加大，表面自由能提高。PBO/PPESK復(fù)合材料的ILSS顯著加大，其中PEK-C涂層處理后復(fù)合材料的ILSS增大了80.7％，復(fù)合材料的吸濕總量和吸濕速率都明顯降低。熱塑性樹脂涂層可以與擴(kuò)散的PPESK基體分子發(fā)生物理纏結(jié)作用產(chǎn)生了強(qiáng)大的粘結(jié)力，同時(shí)，涂層與纖維表面又有著強(qiáng)的化學(xué)作用，最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料界面性

6、能的改善。
　　本文使用氧氣等離子體引發(fā)環(huán)氧樹脂涂層對(duì)Twaron纖維的表面進(jìn)行了改性。將經(jīng)過相同等離子體處理?xiàng)l件下的纖維浸泡在不同濃度的涂層溶液中，發(fā)現(xiàn)1wt％的涂層溶液處理后的復(fù)合材料的ILSS值最高。涂層分子與纖維表面分子發(fā)生了化學(xué)鍵合，C-N基團(tuán)含量降低、C=O等基團(tuán)消失，同時(shí)出現(xiàn)了大量的C-O基團(tuán)，這使得纖維表面的極性和反應(yīng)活性增強(qiáng)，導(dǎo)致纖維的表面自由能提高。系統(tǒng)分析了不同放電時(shí)間和功率下，纖維的表觀物理形貌和復(fù)合材料的

7、界面粘結(jié)強(qiáng)度的變化。處理時(shí)間過長、放電功率過大都可能導(dǎo)致Twaron纖維表面刻蝕過重而導(dǎo)致復(fù)合材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的下降。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在放電功率為100 W，放電時(shí)間為10 min下，復(fù)合材料的ILSS值最高，且此時(shí)的吸濕率最低。
　　論文系統(tǒng)研究了氬氣等離子體引發(fā)環(huán)氧樹脂涂層改性對(duì)Twaron纖維表面性能影響，及各種放電參數(shù)對(duì)材料界面性能的影響。大量C-O基團(tuán)被引入到纖維的表面，改性后的纖維形貌更為復(fù)雜，一層樹脂覆蓋在纖維的表面。纖維的

8、表面自由能由49.9 mJ/m2提高到了61.8mJ/m2。不同放電時(shí)間和功率條件下，復(fù)合材料的ILSS不同，在100W、10 min和30 Pa下，ILSS達(dá)到66.2 MPa，增幅達(dá)68.9％。經(jīng)過等離子體處理后的纖維表面，在涂層改性過程中會(huì)有大量環(huán)氧樹脂分子沉積在纖維表面，復(fù)合材料的制備過程中，PPESK分子擴(kuò)散到環(huán)氧樹脂層中，在模壓高溫下，環(huán)氧樹脂發(fā)生固化，形成束縛層使得纖維不易在剪切力作用下發(fā)生滑移，因而有利于ILSS的提高。