PBI纤维是聚苯并咪唑纤维(英文名称为Polybenzimidazolefibers)的简称,是一种综合性能优异的有机纤维,因其阻燃性、热稳定性、浸润性、耐强酸强碱等化学试剂、良好的纺织加工性能以及穿着舒适性等,使其在耐高温过滤网、阻燃防护服、飞行器内饰物、宇航服和防火填充物及其他耐高温、化学腐蚀方面有着非常重要的应用,被誉为“阻燃之王”,其应用的领域十分广泛,涵盖航空航天、军工国防、消防保护、交通通讯、环保净化等领域。

由于PBI聚合物主链上缺少侧基团,分子刚性大,且分子间键氢键作用强,导致使PBI溶解性和聚合物抗压缩性差,与其他材质复合粘结要求高,纺丝成形加工难等缺陷,在一定程度上限制其应用范围。PBI纤维做成消防服时,需要和其他面料(隔离层和透气阻湿层)或者膜材料复合粘结成多层,而PBI织物层复合粘结时条件要求高,提高成本;PBI中空纤维膜制作到成品的成本和质量的层次。因此,改善PBI纤维的粘着性(降低与其他材质复合条件)是研究纤维表面性能的重点,改善纤维的粘着性可以提高纤维与基体(管件)间界面结合力和纤维与粘结剂的粘结牢度,降低纤维与其他材质的粘结时的条件,节约成本。

等离子体改性技术被誉为21世纪世界环境四大关键技术之一,是一种干法处理技术,环保、快捷,可以在不损伤纤维本体性能的同时有效改善纤维的表面性能,常用来改善纤维的浸润性、染色性、粘着性、表面物理或化学性能,以及对其表面进行清洁或消毒,是一种常用的表面改性技术。

PBI纤维低温等离子体改性处理机理

等离子体作为物质的第四态,指部分或者完全电离的气体,并且自由电子和离子所带正、负电荷总和完全抵消。低温等离子体是指在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体。在纺织行业工业应用最多是辉光放电和电晕放电,二者的放电介质、电子能量的高低和活性因子渗透被处理的纤维材料的能力都不同。辉光放电的电子能量高,对被处理的纺织材料的表面改性更强烈。低温等离子体中各种活性因子与材料表面是一个能量直接转移的过程,其作用深度仅为几个单分子层(100nm以内),不会损伤材料本体的机械强度,等离子体对化纤作用的主要特征或机制可概括为以下模型。如图所示：

图1 等离子体对纤维材料的作用

低温等离子体对PBI纤维表面处理主要产生三种作用:(1)刻蚀。低温等离子体中活性粒子的轰击,使等离子体与纤维表面发生反应,产生挥发性气体除去,光滑的纤维表面出现沟槽、裂纹或者凸起类的,增大比表面积,提高摩擦因数;(2)表面活化。低温等离子体气体与纤维表面官能团发生反应,含氧基团增多如羧基、羟基、醛基等基团,使纤维表面成分发生显著变化,提高了表面能,使纤维表面性能发生改变;(3)表面沉积。气体在等离子体状态下相互反应并形成新的物质,然后又沉积到纤维的表面,即为固体表面的气相沉积。

综上所述：低温等离子体对PBI纤维表面处理主要有表面刻蚀、活化和沉积等作用。刻蚀的作用使纤维光滑的表面出现沟槽、裂纹或者凸起类的,增大比表面积,提高摩擦因数及其与粘合剂或者其他材料的接触面积。表面活化可以使纤维表面含氧基团增多如羧基、羟基、醛基等基团,使纤维表面成分发生显著变化,提高了表面能,提高了润湿性速率,有利于提高粘着性。