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低温等离子体处理芳纶纤维复合材料

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-10-25
芳纶纤维又称芳香族聚酰胺纤维,是一种取向度大、结晶度高的新型高性能纤维材料,具有耐疲劳性能优异、耐高温性能好、模量高、耐腐蚀、强度大、滞后损失低和收缩率小等特性,以及有机材料易加工和无机材料力学性能优异的特点,常用于制备高性能工程复合材料。但从其化学结构中可知,其是一种含有较大数量的苯环通过伸直链大分子结构组成的,位阻作用大,使结构中的酰胺基团亲和力很弱,其他原子或基团发生作用很难,化学惰性也比较强,导致其同其它基体材料的粘附性、导热性、浸润性、黏结性、粗糙度等都很差,局限了芳纶纤维广泛使用。为克服其结构活性低、位阻大一系列难点,可对其进行表面改性处理,充分发挥芳纶优异特性。
低温等离子体处理
表面处理常见方法有物理方法与化学方法,而反应较强烈的化学方法界面改性,一定程度会损伤其内部结构,且反应过程难控、甚至改性试剂会对环境造成污染;物理方法一般存在操作误差大、表面改性反应缓慢、效率不高、浪费资源等;由此与其他改性技术相比,利用低温等离子体处理成为有效的改性方法,改性反应时间短。其主要优势在于等离子体表面改性的区域和程度具有可控性,作用深度距材料表面约几个纳米到接近100个纳米之间,而纤维本体不受影响的同时,纤维表面性能改性效果显著。


低温等离子体改性作用及机理


等离子体技术作用原理见图1所示,等离子体技术作用为外加电场给予电子获得能量后,开始在电场中高速运动,具有较大运动能量后与分子发生碰撞,产生新粒子的过程。
等离子体改性芳纶纤维作用原理
图一 等离子体改性芳纶纤维作用原理

 
其作用机理如图2所示,一是刻蚀。芳纶纤维界面受等离子体高能轰击,界面呈现细小孔道,产生毛细效应,形成凹凸不平或隆起现象,增加纤维界面比表面积;其二是表面活化。光子、离子和电子直接轰击芳纶界面,化学键获得能量表面发生部分分子链断裂而被打开,界面自由基再与在等离子处理中O2或H2O产生的自由基接触,诱发自氧化作用,纤维表面形成极性含氧基团(如–OH);其三是界面沉积。使其它气体(Ar,N2,O2等)分子电离产生活性粒子,主要是离子、激发态的原子、电子和·N,·O,O2·,·OH自由基等物质,产生的活性离子反应性强,与界面极性基团发生作用,界面引入活性种基团,同时发生植入反应,引入增加界面元素含量物质。根据电中性原理,等离子体内的正负电荷总数是相等的,呈现电中性,但在电场的作用下的这些粒子会具有很大的内能和动能,具有打破芳纶纤维的化学键能量,促使其产生具有一定形态极性基团的物质,最终实现芳纶与其它工程材料的有效复合。
 低温等离子体作用机理
图二 低温等离子体作用机理

 
以上资料由国产等离子体处理设备厂家纳恩科技整理编辑。低温等离子体技术在处理芳纶纤维具有工艺简单,操作便捷、能耗低廉等优势。对于等离子体中参与反应性气体(CO,CO2、空气、N2,O2等)产生的反应性活性粒子,与纤维表面的不饱和键或自由基直接反应,达到芳纶表面化学结构改变的目的。而等离子体中不参于反应性气体(He,H2,Ar等)的活性粒子不能直接与材料表面的自由基相互作用,用电场中的材料表面被高能粒子轰击产生活性较高的自由基,与空气中氧作用,在纤维界面引入含氧基团,或者与自由基反应形成交联网状结构,达到改性目的。
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