连续碳纤维增强PA66复合材料凭借其高比强度、耐化学腐蚀性及可回收特性,在汽车轻量化、航空等领域展现出广阔应用前景。然而,碳纤维与PA66树脂基体间存在显著的界面结合缺陷,主要源于碳纤维表面化学惰性与PA66极性基团不相容,这严重影响了复合材料的力学性能。传统界面改性技术(如液相氧化、偶联剂改性)虽然能够提升界面结合强度,但工艺过程时间长。相较而言,等离子体表面处理技术因操作简单,绿色无污染和较低成本等优点,已经逐步成为纤维在线表面处理的技术选择。

在线等离子体表面处理装置主要是通过空压机产生空气,随后通过气压阀对气体压力进行控制后进入到等离子体发生器,由发生器对气体电离之后通过旋转喷射仪喷射等离子体,对纤维表面进行湿润性能改善和表面刻蚀增加粗糙度。在线等离子体处理装置图如图1-1所示:

图1-1 等离子体在线处理碳纤维

在等离子体表面处理工艺实施过程中,纤维增强体表面主要承受以下双重作用机制的影响:一方面是纤维表面刻蚀改性,增加纤维表面粗糙度。纤维的比表面积增大,在一定程度上增加树脂与纤维的接触面积并形成互锁结构,增加界面结合力。另一方面,不同气体等离子体处理会对纤维表面元素具有活化作用。

在线等离子体处理CF界面化学结构的机制研究

使用X射线光电子能谱仪(XPS)表征等离子体处理前后CF表面元素含量变化,如表1-1所示:

表1-1 等离子体处理前后碳纤维表面元素含量的变化

从表1-1可以看出,经过等离子体处理的纤维C元素含量下降了2.07%,O元素含量上升了2.12%,N元素含量基本不变。其中O/C元素比增加了12%。这表明经过等离子体处理的碳纤维表面含氧元素增多,含氧官能团增多,纤维表面活性得到激活。

通过对处理前后的纤维C1s轨道分峰光谱图的峰面积来确定不同含碳官能团的占比,如图2-1所示:

图2-1 等离子体处理前后CF表面C1 s分峰拟合图 

等离子体处理过的碳纤维表面含碳官能团中,C-C键比例下降,含O官能团比例上升。其中,C-O含量的提高可有效改善纤维表面浸润性,促进树脂基体对纤维的浸润;同时,C=O官能团含量的增加,可与PA66等基体形成强界面相互作用。空气等离子体处理CF在化学结构方面主要是通过引入更多含氧官能团与树脂基体极性基团形成共价键增强化学键合效果。

等离子体处理前后CF表面O1 s分峰拟合图如图3-1所示: 

图3-1 等离子体处理前后CF表面O1 s分峰拟合图

经过表面处理后的C=O比例下降,C-O比例提高,这是因为通过等离子体处理样品表面C-O键相关的官能团含量增加,处理过程促进了氧化反应、引入更多含C-O结构(如羟基、醚键等),改变了纤维表面化学活性,使纤维表面含氧官能团比例上升。

等离子体表面处理技术作为一种环境友好型干式工艺,基于非平衡等离子体活化原理,不依赖大量水和化学溶剂,因此具备环境友好、操作简便和低成本的特点。此技术能够广泛应用于碳纤维材料表面改性,对处理对象没有特定限制,展现了极强的通用性。