作为纤维增强复合材料中的主要承载部分,增强纤维必须具备优异的力学性能,而PBO纤维拥有高分子纤维中最高的拉伸强度(高达5.8GPa)与模量,在高性能复合材料领域拥有广泛的应用前景。然而,PBO纤维表现出强的表面惰性,并且缺乏极性官能团,这导致其与树脂基体复合时界面处缺陷积累,损害复合材料综合性能。

因此,PBO纤维在制备复合材料之前需对其进行一定程度的预处理,改善其表面状态,增强与树脂基体的结合性,从而制备出高效性能的复合材料。然而,PBO纤维的表面改性是极其困难的,其特殊的刚性棒状分子结构带来了强的耐腐蚀,同时光滑表面也不利于活性物质在纤维表面的附着。而氧等离子体处理可以通过高能量的氧等离子体轰击PBO纤维表面,形成粗糙结构以及产生活性氧与悬挂键,并且氧等离子体处理后的活性表面更有利于涂层的附着,增加了PBO纤维表面结构的可设计性。

氧等离子体处理对PBO纤维性能的影响

氧等离子体处理PBO纤维的工作原理如图1-1所示。将样品至于腔体中,当真空室腔体中的氧气分子在受到足够的外部电场作用时,电子将获得足够的能量进入更高的能级,进而发生电离作用产生带电粒子或亚稳态的粒子。这种电离气氛能量高于PBO的化学键能,使其在带电粒子的轰击下被部分氧化分解,产生气态氧化物(如CO2、NO2)。同时,此过程也可以在PBO纤维表面形成含氧官能团以及表面微结构,从而改善纤维的表面状态并提升表面活性,改善了PBO纤维与树脂基体的界面相容性。

图1-1 氧等离子体处理PBO纤维示意图

PBO纤维表面形貌分析

采用SEM对PBO纤维的表面形态进行了详细观察,结果如图1-2所示。可以看到未经处理的PBO纤维表面光滑平整,这主要源于其独特的纺丝工艺及化学结构。在经过300W功率的氧等离子体处理5min后,PBO纤维表面出现了分布均匀且具有纳米级尺寸的圆形氧化颗粒。这些颗粒的形成是由于高能氧等离子体的轰击作用,引发了纤维表面的氧化反应。

图1-2 不同氧等离子体处理时间PBO纤维表面SEM 

随着处理时间的延长,在300W功率下进行10min的氧等离子体处理后,PBO纤维表面的氧化颗粒逐渐增大,并且呈现聚集的趋势,相较于5min处理时,氧化颗粒在表面呈现出较为散乱且较为锋利的边缘。在处理时间延长至20min时,表面氧化颗粒进一步聚集,并出现了明显的岛状凸起结构。这种现象可归因于长时间的氧等离子体轰击导致PBO纤维表面某些区域发生了溶解膨胀的效应,从而形成了较为显著的微结构变化。

氧等离子体处理因其高能量密度和快速反应特性,能够在短时间内显著改变PBO纤维的表面形貌,形成具有精细控制的微结构。

PBO纤维表面化学状态分析

如图1-3所示,氧等离子体处理后的PBO纤维FTIR图谱显示,在1615cm⁻¹处出现了显著的C=N键伸缩振动峰,对应于PBO分子结构中的恶唑环。此外,在1619cm⁻¹至1415cm⁻¹范围内,可观察到苯环的伸缩振动峰,进一步证实了PBO纤维的分子特征。

图1-3 氧等离子体处理后PBO纤维FTIR图谱

除此之外,在3480cm⁻¹处检测到明显的羟基(-OH)吸收峰,这表明氧等离子体的氧化作用在纤维表面引入了极性基团,从而提高了纤维的表面活性。此外,在1730cm⁻¹处出现了羰基(-C=O)伸缩振动峰,表明部分PBO结构经历了氧化过程,导致羧基(-COOH)或酯基(-COOR)的形成。这些氧化基团的引入显著增强了纤维表面的亲水性和化学反应活性。

氧等离子体处理不仅增加了PBO纤维表面的粗糙度,而且通过化学改性在纤维表面引入了氧化基团,进而提高了其表面活性。这种改性效应为后续离子螯合共聚物涂层的结合提供了更多的活性位点。

等离子体处理作为PBO纤维表面改性的重要手段,其作用机理源于高能活性粒子对纤维表层的物理刻蚀与化学协同效应。在等离子体场中,激发态粒子(如电子、离子及自由基)通过动能传递对纤维表面进行轰击,一方面通过物理溅射形成纳米级沟壑结构以增大表面粗糙度,另一方面通过化学键断裂重组在惰性表面引入含氧极性基团(如羟基、羧基),从而改善纤维与基体间的界面相容性。该技术优势体现在工艺效率高、环境友好且参数可控性强,通过调节放电功率、处理时长及工作气体组分(如N2、Ar/O₂混合比例),可定向调控表面拓扑形貌与化学活性。