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等离子体处理改性玻璃纤维与环氧树脂粘接性能

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-11-16
随着经济的迅速发展,由于玻璃纤维的成本低廉和较高的力学强度等优势,逐步替代了其他金属材料和纤维材料,进而应用越来越广泛,常常应用于电子、电气、化工、冶金等工业领域。
等离子体处理机
玻璃纤维的主要成分是二氧化硅、氧化铝、氧化钙氧化镁、氧化钠等,单丝的直径为几个微米到二十几个微米,是一种性能优异的无机非金属材料,它具有良好的拉伸和冲击强度、绝缘性能、耐热性等优点,同时价格也较为低廉,通常作为复合材料中的增强材料应用于电绝缘领域。

以环氧树脂为基体,玻璃纤维为增强材料的复合材料在电力行业中常常用作变压器套管绝缘材料以及水轮发电机定子绝缘材料等,起到了良好的绝缘作用。但由于玻璃纤维表面自由能较低、表面光滑以及含氧极性基团较少,使其与树脂之间的化学键合作用和机械嵌合作用大大降低,导致复合材料的界面粘结性较差,降低设备的电气及力学性能,同时缩短设备使用寿命,容易引发安全隐患。因此,在使用前需对其表面进行等离子体改性处理,使玻璃纤维更易于和环氧树脂等有机胶黏剂结合,从而避免老化问题。


等离子体表面处理


等离子体是物质存在的一种基本形态,是由带电的正离子、负离子构成的,因正负电荷的电量相等,故称为等离子体。

低温等离子体改性玻璃纤维表面时可以引入O-C=O等新的含氧极性基团,可以很好地提高玻璃纤维表面的活性程度和表面自由能,进而提高纤维表面的润湿性。

未改性的玻璃纤维表面较为光滑,没有明显的凹陷或凸起结构,经等离子体处理后,玻璃纤维表面出现不同程度的凹陷和凸起,随处理时间的延长,纤维表面的刻蚀程度越来越大,并伴随剥离现象的出现。这是因为等离子体中的高能粒子撞击纤维表面,将自身能量传递给表层分子,使表层分子键断裂,产生大量自由基,相邻活泼性高的自由基之间发生键合作用,在纤维表面构成交联层,交联反应随时间的增长而加深,进而粗糙程度逐渐加剧,导致纤维表面产生明显的刻蚀痕迹,改变了表面原本平滑的微观物理结构。
玻璃纤维等离子处理前后表面形貌对比
玻璃纤维等离子处理前后表面形貌对比
通过对玻璃纤维的等离子体改性进行研究,分析认为等离子体改性主要是在玻璃纤维表面引入极性官能团,提高了玻璃纤维与树脂基体之间的浸润程度;同时在纤维表面发生刻蚀作用,增大比表面积,增强二者界面间的粘结力。

等离子处理玻璃纤维与环氧树脂反应机理

两者反应机理如下图所示。由下图可知,玻璃纤维置于等离子体处理过程中,当辉光放电时,除了产生活性粒子N+外,还会产生N离子,使玻璃纤维界面形成MN(M为玻璃纤维晶体)的结构,再与环氧树脂结合,在其表面形成氢键,但是氢键的键能比玻纤键键能小,由此在界面处形成相对较弱的化学键,使得两大基体间粘结性更稳定。
玻璃纤维与环氧树脂反应机理
玻璃纤维与环氧树脂反应机理
等离子体处理不产生二次污染,在处理工艺方面简单而又节省时间,大大提高了处理效率。重要的是,它只作用于玻璃纤维表面的几纳米的薄层,而不影响纤维本体的物理化学性质。低温等离子体在玻璃纤维表面产生大量的羧基等含氧极性基团可以与环氧树脂产生化学键合作用,有效地增强二者的界面结合能力,对于复合材料电气和力学性能的提高具有一定作用。
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