芳纶纤维(AF)作为一种新开发的高性能纤维,在其分子结构中的两个苯环之间含有85%的酰胺键,具有高比强、高比模、耐高温、耐化学腐蚀等突出性能,被广泛用作航空航天、国防军工、交通运输等多功能复合材料的增强材料。

然而,AF本身具有高的化学惰性、高结晶度以及表面光滑等特性,成为了制约复合材料粘结性能提升的关键因素。复合材料界面性能决定了纤维的应力传递效率,直接关系到复合材料在使用过程中的安全性和使用寿命。

复合材料的界面强度是由基体与增强体之间的化学键合能力与机械互锁程度决定的,为了增强AF与基体之间的结合性能,一般需要对其表面进行改性处理。表面处理通过改变纤维表面的化学成分来增加纤维的表面能,从而使纤维拥有更好的表面润湿性;同时羧基、羟基等活性官能团可以与基体材料发生反应,在纤维与基体之间形成牢固的共价键以增强界面性能。另一方面,改性纤维的表面粗糙度得到了进一步的提高,使纤维与树脂之间的机械互锁强度进一步提高。

等离子体处理技术

等离子体处理法是将芳纶纤维暴露在等离子体中,使其表面发生物理或化学变化, 引入活性基团,提高纤维的表面性能。

芳纶等离子体处理结果分析

扫描电子显微镜

图1为扫描电子显微镜拍摄的等离子体处理前后芳纶织物表观形貌照片,可以看出等离子体处理对芳纶织物的表面形貌产生了一定影响。(a)图为未经等离子体处理的芳纶,其表面平滑,无明显的缺陷或不规则之处,纤维表面洁净,无明显颗粒物。(b)~(j)图为经不同功率和时间的等离子体处理后芳纶织物的表观形貌,处理功率和处理时间已在图上标注出。可以看出纤维表面较为粗糙,出现凹凸和条纹,表明等离子体处理对纤维表面进行了物理刻蚀,表面粗糙度增加,可能增强了纤维的表面活性和附着能力,对于后续复合材料的制备有利。

图1 芳纶纤维扫描电子显微镜图(1 500×) :a-未经等离子体处理纤维;b-j为等离子体处理后纤维

傅里叶红外光谱分析

为观察等离子体处理前后芳纶织物表面的不同化学组成,对其进行傅里叶变换红外光谱图分析。为方便观察变化,将等离子体处理前后的红外光谱曲线绘制于同一张堆积图中。芳纶织物的红外光谱曲线图如图2所示,波数3305cm-1的吸收峰对应于酰胺基团N-H的伸缩振动;波数2850-3100cm⁻¹范围内的弱吸收峰对应于C-H伸缩振动;波数1605cm⁻¹的吸收峰对应于C=O伸缩振动。在1500-1600cm⁻¹范围内的多个吸收峰,对应于芳香环的C=C伸缩振动和N-H弯曲振动。在1180-1360cm⁻¹范围内多个小吸收峰,对应于C-N伸缩振动。通过红外光谱曲线对比发现,芳纶样品等离子体处理后以上特征峰依然存在,并在1738cm⁻¹处出现了一个新的吸收峰-COO-,这表明芳纶在等离子体处理后新增含氧基团,有利于提高芳纶界面结合强度。

图2 等离子体处理前后芳纶织物红外光谱图 

水接触角分析

等离子体处理前芳纶织物的水接触角为63.5°±1.0°,不同参数等离子体处理后芳纶织物的水接触角如图23所示。可以看出等离子体处理提高了芳纶织物的表面润湿性。在处理功率为250W和处理时间为30s时,水接触角下降到37.4°±0.1°,此时织物表面润湿性增强最为显著,处理效果达到最优,而进一步延长处理时间或处理功率,接触角略有增加。这是因为等离子体处理对织物表面进行刻蚀,使其表面粗糙度增加,比表面积增大,并在表面引入亲水性集团羟基(-OH)和羰基(C=O),从而降低了水接触角。然而,过高的功率和过长的处理时间可能导致表面老化或重构,使得表面特性发生不利变化,出现接触角增加的现象。

图3 芳纶织物水接触角图:a-未经等离子体处理织物;b-j为等离子体处理后织物 

等离子体处理芳纶纤维是一种有效的表面改性方法,通过提高纤维表面粗糙度和增加表面活性官能团含量,进而改善芳纶纤维的表面性能,提高其与基体材料间的粘结性能。