芳纶纤维又称芳酞胺纤维(Aramid fiber)是一种高性能聚合物材料，以其优异的强度、模量和耐热性而闻名“。由于其优异的强度和耐热性，芳纶纤维被广泛应用于航空航天、汽车工业、防弹和抗穿刺保护等领域。芳纶纤维优异的强度和韧性来源于聚酰胺链之间的芳香族环连接形成的高度有序的链结构。因此,它常被用作橡胶和环氧树脂的增强相,已被证明在提高复合材料的性能方面非常有效。当芳纶纤维与树脂基体结合时,因为芳纶纤维尺寸大,与聚合物基体的黏附性有限。因此,有必要对芳纶纤维进行表面处理等改性方法,来增强与基体的结合强度。

等离子体改性处理

等离子体是通过向气体施加电击而产生的,在电击过程中会形成中性原子、分子、自由基、激发态物种、离子及电子的混合物,其中电子与正离子的电荷量在宏观上近似相等,从而呈现出准电中性的特性,并展现出整体效应,是一种特殊的混合气体形态，如图1所示。

图1 等离子体组分示意图 

低温等离子体表面处理技术,是借助等离子体开展材料表面反应的一种先进处理手段。一方面能够在物体表面成功引入特定类型的官能团,同时引发表面刻蚀现象,进而促使交联结构层或者自由基层的形成;另一方面由于处理过程中气体温度近乎室温,并且整个反应体系的能耗相对较低,在实际应用中能够有效降低投资成本。等离子体表面处理具备对材料本体损伤极小的显著优势。该技术能够在确保材料整体性质不受显著影响的前提下,可显著提升材料在诸多方面的性能表现,而材料本体的基本性能则得以维持稳定,几乎不受处理过程的干扰。

等离子体改性芳纶纤维提高粘接结合性能原理

1) 物理改性。在等离子处理时,等离子体内具有大量离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子,作用到芳纶纤维上,会产生刻蚀作用,将纤维表面变得粗糙,形成许多微细坑洼,增大了纤维的比表面积。改性前纤维表面光滑,改性3min后的纤维表面出现了多条凹陷,变得很粗糙,这有利于基体与纤维之间的结合,如图2(b)~图2(e)为等离子处理前后的芳纶纤维微观形貌图。

图2 等离子处理前后的芳纶纤维微观形貌图

2) 化学改性。激活:芳纶纤维表面键能约为3~8eV/bond，而等离子中的粒子能量为0~20eV/bond，因而当等离子体作用到纤维表面上后，可使表面的化学键产生断裂,等离子体中的自由基与这些键形成网状交联结构,大大地激活了表面活性。接枝:当等离子处理时,空气中的C、N、O分子,将被引入并反应,在纤维表面引入更多的官能团,如羟基、氨基、羧基等。由于极性相容性,这些官能团会与聚氨酯中的极性基团相互作用,相互吸引,使结合强度提高。