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芳纶纤维等离子体表面处理改性原理-plasma

May. 27, 2024

芳纶纤维具有模量大、强度高、耐化学腐蚀、热稳定性好、比强度高(约为钢丝的6-7倍)、密度小(仅为钢丝的1/5)等诸多优点,是高性能复合材料的最佳增强材料之一。它的应用范围遍及军用和民用领域,包括航空航天、国防军事、轮胎骨架、建筑防火材料以及体育用品等。但是,芳纶纤维具有独特的分子结构,导致其粘性比较差,非常难与其他材料进行复合应用。而解决这一问题的最直接、最经济、最有效的方法是对其表面进行改性。低温等离子体改性技术兼具物理和化学改性的双重特点,作用效果比较好。除此之外,这种技术还兼具节约能源、绿色无污染、能耗低、工艺简便等诸多优点,在众多改性方法中具有显著优势

芳纶纤维等离子体表面处理改性原理

等离子体之所以可以用于芳纶纤维材料的表面改性主要是因为等离子体中含有大量的活性粒子。这些活性粒子主要包括电子、离子、亚稳态粒子(激发态分子和原子、游离的自由基)以及紫外光子等。等离子体中的活性粒子通过撞击、辐射等方式作用在材料表面,引起材料表面的物理特性和化学特性变化。

等离子体中活性粒子的形成过程如图1-1所示,空间中的自由电子在电极之间的强电场区域中获得大量能量,转化为高能电子,高能电子在定向运动过程中,会撞击到放电空间中的其他粒子,这其中就包括气体分子以及材料表面的大分子物质。气体分子在被撞击过程中,有的就会跃迁到激发态,转化为激发态分子或原子,获得更高的活性,参与材料表面的化学反应。材料表面的大分子物质,因为高能电子的猛烈轰击,分子间连接的化学键或者共价键断裂,形成游离的自由基。

等离子体中活性粒子形成过程

图1-1 等离子体中活性粒子形成过程

低温等离子体中的高活性粒子对芳纶纤维材料进行改性时,主要有以下几方面效果:

(1)刻蚀作用

在等离子体改性过程中,被处理材料放置在等离子体环境中的,与等离子体直接接触。等离子体中的活性粒子会高速撞击到材料的表面,并造成刻蚀作用,使材料表面变得凹凸不平,增加材料表面的粗糙度,进而改性材料的诸多表面性能,比如亲水性、润湿性、染色性,抗静电性等。等离子体刻蚀引起的芳纶纤维表面形貌变化如图2-1所示。

等离子刻蚀作用后的芳纶纤维表面形貌

图2.2 等离子刻蚀作用后的芳纶纤维表面形貌

等离子体可以在材料的表面形成刻蚀,主要是由于两方面的原因:一方面,高分子材料是多聚体有机化合物,由很多单体聚合而成,高能粒子在轰击材料表面的过程中,会打断单体之间连接的化学键,导致单体脱落,形成自由基,单体脱落后形成了许多凹陷。另一方面,高分子材料的表面会因为其固有的疏松无序性而出现强度不均匀,在等离子体中处理过程中,强度较弱的部分会在高能粒子的撞击下形成凹坑。

(2)聚合作用和官能团引入

低温等离子体中的活性粒子的能量范围和高分子材料中常见的化学键能如表2-1和表2-2所示。可以看到,常见的有机高分子材料键能多为几个电子伏特,而在等离子体中,诸如电子、光子、离子这些活性粒子的能量均已超过其结合能的大小。等离子体中的这些高能粒子会作用在材料表面后,可以将材料表面的C-C、C-H、C=O等化学键打断,为接枝其他官能团、单体做好准备。而且,由于高能粒子的轰击,会形成许多有力的自由基,这些自由基也会参与到下一步的反应中。

低温等离子体中基本粒子的能量范围

1)等离子体将材料表面的低能级化学键打断后,可以在材料表面引入各种极性基团,改变其表面的化学组成,从而改善材料表面的性能。如前文所述,因为等离子体生成环境的不同,会形成不同的激发态物质。在等离子体处理过程中,这些激发态的分子/原子会被引入到材料表面,改变材料的表面性能。以O2等离子体为例,氧气分子在等离子体作用下可以转化为激发态,激发态的氧会与材料表面的大分子物质发生氧化反应。经过反应,在材料表面会引入大量含氧基团,比如-COOH、C-O、-OH等,这些基团可以有效地改变材料的表面亲水性、粘结性。

2)除了引入新的官能团以外,游离的自由基之间也会重新键合。环境中的自由基键合后会沉积到材料表面,在被处理材料的表面形成致密的交联结构,这些结构在一定程度上可以改善材料的力学性能,并且增加了比表面积,有助于改善表面特性。

低温等离子体表面处理改性技术属于干式工艺,没有化学改性中不可或缺的烘干、废水处理等工序,具有工艺简单、节约能源、绿色无污染等优点。其次,由于有各种高能粒子的作用,等离子体改性可以在室温条件下实现在常规条件下不能发生的反应。更重要的是,等离子体改性芳纶纤维仅仅涉及其浅表面,作用深度在纳米级别,一般不会影响芳纶纤维本身的力学性能。

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