低温等离子体处理改性PBO纤维表面性能

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-11-03

PBO(聚对苯撑苯并双噁唑)纤维具有低密度、优异的力学性能、耐热性能和高耐氧指数等特点，该纤维断裂强度可达5800MPa，HM型模量可达280GPa，AS型模量可达180GPa，同时，PBO纤维也具有良好的耐热性和热稳定性，其热裂解温度为600～700℃。因其本身显著的特点，在航空航天、军工国防、星球探测、体育器材、建筑材料等领域有着广阔的应用前景，图1为PBO纤维应用轮图，被视为航空航天先进结构复合材料的新一代超级纤维，也被认定是一种在21世纪能与高性能碳纤维竞争的有机超级纤维，是目前综合性能最好的有机纤维。在以PBO纤维为增强纤维的树脂基复合材料，可在环境较为苛刻和承载能力要求较高的结构件上使用。同时将PBO织物与膜材做成的层压织物，使其具有良好的阻燃、拒水等功能，在开发功能织物方面也有着广阔的应用前景。但PBO纤维本身的化学结构，分子中含苯环及芳杂环，分子结构呈钢棒状，分子链在液晶纺丝时形成高度取向的有序结构，图2为PBO纤维分子结构图，图3为PBO纤维分子单体模型。纤维表面光滑且缺少活性基团，本身呈化学惰性，与基体间不能良好的浸润，致使界面粘结性能很差，这极大影响了增强纤维在复合材料中力学性能的发挥，严重制约了PBO纤维在高性能复合材料领域中的应用与发展。所以对PBO纤维表面改性处理非常有必要，通过表面改性处理，旨在改变其表观形态，改善其粘着性，拓宽其应用领域。低温等离子体技术作为一种干法处理手段，经济、高效、无污染，是一种较为理想的表面改性技术。

表面处理技术可以改变材料表面的物理、化学性能，从而改善材料本身存在的一些缺陷。等离子体改性技术具有许多优点:与传统的化学处理相比，等离子体表面改性是一种干式工艺，不需要水和化学试剂，因此具有节能、无公害的优点;与同为干式工艺的放射线处理、电子束处理、电晕处理等相比，其独特之处在于等离子体表面处理的作用仅涉及表面极薄的一层，因而在使界面物性显著改变的同时纤维本体性能并不受影响。因此，在表面改性技术中，等离子体改性技术应用越来越广泛。等离子体按照离子温度的高低，可分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体是以高频振荡电源磁场感应耦合的方式进行低压辉光放电，电离产生低温等离子体，产生的电子温度高达105K，但气体却以低温态存在，具有双温特性，能促使纤维表层的大分子链断裂而呈现出粗糙不平的微观状态，为进一步改性创造条件，且不会造成高分子材料的热分解，较适用于纺织品处理。低温等离子体处理高分子材料具有条件温和、时间短、效率高、耗能耗水量少、清洁环保、对被处理材料无特殊要求、改性只发生在材料表面100nm范围内等特点，可在不损伤材料基本特性的基础上，赋予材料新的功能。

低温等离子体表面改性的原理

应用低温等离子体轰击高聚物或将高聚物置于低温等离子体环境中，高聚物表面会受到活性粒子轰击、溅射、氧化等作用，其表面会产生刻蚀以及其他的化学反应。高性能纤维的表面低温等离子体处理主要会产生3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，生成挥发性气体除去；②表面活化。低温等离子体气体与纤维表面反应并在其表面生成化合物，使纤维表面成分发生显著变化，改变其表面性能；③表面沉积。两种气体在等离子体状态下相互反应，从而形成新的物质沉积到高性能纤维的表面，即为固体表面的气相沉积。PBO纤维化学元素主要是C、H、O、N，低温等离子体的处理，等离子体气体的不同作用的方式也有所差异，如O2、空气的处理，可以刻蚀PBO纤维表面也可引入新的极性基团。如He、Ar等离子体的处理，则主要是将能量传递给PBO纤维表层分子，使之活化生成链自由基，引导其与其他材料发生接枝反应。

低温等离子体技术在PBO纤维表面改性中的应用

低温等离子体对PBO纤维的处理，改变了其表面形态结构和表面化学组成，进而改变PBO纤维的表面性能。

低温等离子体处理对PBO纤维表面结构和性能的影响
采用扫描电镜（SEM）分析了空气等离子体处理对PBO纤维表面宏观形貌的影响，如图4所示。从图4可以看出，未处理的PBO纤维表面光滑；处理后的PBO纤维表面凹凸不平，有刻痕和被剥离现象。空气等离子体处理PBO纤维表面发生了刻蚀作用，表面粗糙程度增加，这也印证了处理后的PBO纤维比表面积增加，有利于改善PBO纤维的润湿性。

图4 等离子体处理前后PBO纤维表面宏观形貌的变化

等离子体处理对PBO纤维表面水接触角影响
低温等离子体处理前后PBO纤维与水的接触角见表1。

由表1可以看出，经空气低温等离子体处理后，PBO纤维的接触角为27.44°，未处理的接触角为72.61，改性后接触角明显降低。这与改性后PBO纤维表面形貌和基团的变化有着密切关系。观察发现，未处理PBO纤维表面水滴铺展速度较慢，400ms甚至800ms后，接触角的变化不大；而经处理后的PBO纤维，其表面水滴铺展迅速，80ms后接触角迅速减小，200ms后水滴完全铺展开来，进一步反映了等离子体处理后PBO纤维润湿性增强。

低温等离子体对PBO纤维表面处理，其表面发生的化学作用机理与所使用气体种类有关。通过低温等离子体的处理，纤维表面产生刻蚀，粗糙程度增加，致使纤维的吸湿、染色、粘合等性能得到改善；低温等离子体产生的高能粒子或紫外光子打击纤维材料，会使其表面产生自由基，引发新的化学反应，如表面发生交联作用；同时，低温等离子体对PBO纤维材料的处理使纤维材料表面化学组成发生改变，进而改变其表面性能。