低溫等離子體處理改性PBO纖維表面性能
文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-11-03
PBO(聚對苯撐苯并雙噁唑)纖維具有低密度、優異的力學性能、耐熱性能和高耐氧指數等特點，該纖維斷裂強度可達5800MPa，HM型模量可達280GPa，AS型模量可達180GPa，同時，PBO纖維也具有良好的耐熱性和熱穩定性，其熱裂解溫度為600～700℃。因其本身顯著的特點，在航空航天、軍工國防、星球探測、體育器材、建筑材料等領域有著廣闊的應用前景，圖1為PBO纖維應用輪圖，被視為航空航天先進結構復合材料的新一代超級纖維，也被認定是一種在21世紀能與高性能碳纖維競爭的有機超級纖維，是目前綜合性能最好的有機纖維。在以PBO纖維為增強纖維的樹脂基復合材料，可在環境較為苛刻和承載能力要求較高的結構件上使用。同時將PBO織物與膜材做成的層壓織物，使其具有良好的阻燃、拒水等功能，在開發功能織物方面也有著廣闊的應用前景。但PBO纖維本身的化學結構，分子中含苯環及芳雜環，分子結構呈鋼棒狀，分子鏈在液晶紡絲時形成高度取向的有序結構，圖2為PBO纖維分子結構圖，圖3為PBO纖維分子單體模型。纖維表面光滑且缺少活性基團，本身呈化學惰性，與基體間不能良好的浸潤，致使界面粘結性能很差，這極大影響了增強纖維在復合材料中力學性能的發揮，嚴重制約了PBO纖維在高性能復合材料領域中的應用與發展。所以對PBO纖維表面改性處理非常有必要，通過表面改性處理，旨在改變其表觀形態，改善其粘著性，拓寬其應用領域。低溫等離子體技術作為一種干法處理手段，經濟、高效、無污染，是一種較為理想的表面改性技術。
表面處理技術可以改變材料表面的物理、化學性能，從而改善材料本身存在的一些缺陷。等離子體改性技術具有許多優點:與傳統的化學處理相比，等離子體表面改性是一種干式工藝，不需要水和化學試劑，因此具有節能、無公害的優點;與同為干式工藝的放射線處理、電子束處理、電暈處理等相比，其獨特之處在于等離子體表面處理的作用僅涉及表面極薄的一層，因而在使界面物性顯著改變的同時纖維本體性能并不受影響。因此，在表面改性技術中，等離子體改性技術應用越來越廣泛。等離子體按照離子溫度的高低，可分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體是以高頻振蕩電源磁場感應耦合的方式進行低壓輝光放電，電離產生低溫等離子體，產生的電子溫度高達105K，但氣體卻以低溫態存在，具有雙溫特性，能促使纖維表層的大分子鏈斷裂而呈現出粗糙不平的微觀狀態，為進一步改性創造條件，且不會造成高分子材料的熱分解，較適用于紡織品處理。低溫等離子體處理高分子材料具有條件溫和、時間短、效率高、耗能耗水量少、清潔環保、對被處理材料無特殊要求、改性只發生在材料表面100nm范圍內等特點，可在不損傷材料基本特性的基礎上，賦予材料新的功能。
低溫等離子體表面改性的原理
應用低溫等離子體轟擊高聚物或將高聚物置于低溫等離子體環境中，高聚物表面會受到活性粒子轟擊、濺射、氧化等作用，其表面會產生刻蝕以及其他的化學反應。高性能纖維的表面低溫等離子體處理主要會產生3種作用：①刻蝕。低溫等離子體中活性粒子的轟擊，使等離子體與纖維表面發生反應，生成揮發性氣體除去；②表面活化。低溫等離子體氣體與纖維表面反應并在其表面生成化合物，使纖維表面成分發生顯著變化，改變其表面性能；③表面沉積。兩種氣體在等離子體狀態下相互反應，從而形成新的物質沉積到高性能纖維的表面，即為固體表面的氣相沉積。PBO纖維化學元素主要是C、H、O、N，低溫等離子體的處理，等離子體氣體的不同作用的方式也有所差異，如O2、空氣的處理，可以刻蝕PBO纖維表面也可引入新的極性基團。如He、Ar等離子體的處理，則主要是將能量傳遞給PBO纖維表層分子，使之活化生成鏈自由基，引導其與其他材料發生接枝反應。
低溫等離子體技術在PBO纖維表面改性中的應用
低溫等離子體對PBO纖維的處理，改變了其表面形態結構和表面化學組成，進而改變PBO纖維的表面性能。
低溫等離子體處理對PBO纖維表面結構和性能的影響
采用掃描電鏡（SEM）分析了空氣等離子體處理對PBO纖維表面宏觀形貌的影響，如圖4所示。從圖4可以看出，未處理的PBO纖維表面光滑；處理后的PBO纖維表面凹凸不平，有刻痕和被剝離現象?？諝獾入x子體處理PBO纖維表面發生了刻蝕作用，表面粗糙程度增加，這也印證了處理后的PBO纖維比表面積增加，有利于改善PBO纖維的潤濕性。
圖4 等離子體處理前后PBO纖維表面宏觀形貌的變化
等離子體處理對PBO纖維表面水接觸角影響
低溫等離子體處理前后PBO纖維與水的接觸角見表1。
由表1可以看出，經空氣低溫等離子體處理后，PBO纖維的接觸角為27.44°，未處理的接觸角為72.61，改性后接觸角明顯降低。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團的變化有著密切關系。觀察發現，未處理PBO纖維表面水滴鋪展速度較慢，400ms甚至800ms后，接觸角的變化不大；而經處理后的PBO纖維，其表面水滴鋪展迅速，80ms后接觸角迅速減小，200ms后水滴完全鋪展開來，進一步反映了等離子體處理后PBO纖維潤濕性增強。
低溫等離子體對PBO纖維表面處理，其表面發生的化學作用機理與所使用氣體種類有關。通過低溫等離子體的處理，纖維表面產生刻蝕，粗糙程度增加，致使纖維的吸濕、染色、粘合等性能得到改善；低溫等離子體產生的高能粒子或紫外光子打擊纖維材料，會使其表面產生自由基，引發新的化學反應，如表面發生交聯作用；同時，低溫等離子體對PBO纖維材料的處理使纖維材料表面化學組成發生改變，進而改變其表面性能。
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