常压等离子体处理对PBO纤维表面性能影响研究

论文摘要

聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维是由PBO聚合物通过液晶纺丝制得的一种高性能纤维。与其它高性能纤维相比,PBO纤维具有更高的比强度、比模量和耐热阻燃性能,被誉为“21世纪的超级纤维”,可以用来制作高性能复合材料应用于未来的航天、航空和国防等高新技术领域。但PBO纤维表面光滑,且呈化学惰性,与树脂基体间的界面粘结性能很差,这极大影响了纤维力学性能的充分发挥,严重制约了PBO纤维在高性能复合材料领域中的应用。因此,改善PBO纤维的表面性能、提高它与树脂基体间的界面粘结性能是PBO纤维得以在高性能复合材料领域中广泛应用的关键。目前,应用于PBO纤维表面改性的方法有多种,包括化学改性、辐射改性和等离子体改性等。其中,等离子体改性是一种非常理想的方法,它只作用于纤维最表层,对纤维本体损伤小,具有高效、环保、操作简单等优点。但传统等离子体改性是在低压环境下进行的,需要复杂的真空系统,成本高,且不能连续处理,限制了该项技术的应用。常压等离子体克服了低压等离子体的缺点,它不需要真空系统,能够在常压下工作,成本低,且能够实现连续处理。本课题首次采用常压等离子体射流（APPJ）和常压介质阻挡放电（DBD）分别对PBO纤维进行表面处理,研究了处理气氛、纤维回潮率以及处理时间、功率等处理参数对纤维表面性能的影响。通过SEM观察纤维表面形态的变化,XPS和FTIR分析纤维表面元素组成及基团的变化,并通过静态接触角测试和Micro-bond测试分析了纤维等离子体处理前后表面浸润性能和IFSS的变化,最后,通过单纤维拉伸测试,评价了等离子体处理对纤维力学性能的影响。SEM结果显示,APPJ和DBD处理对纤维表面都产生了一定的刻蚀效果,纤维表面粗糙度增加,且DBD处理的刻蚀效果更为明显;接触角测试显示,等离子体处理后纤维接触角有较大幅度下降,表明纤维表面浸润性能有较大提高,纤维很容易被树脂浸润;XPS分析表明,APPJ处理后纤维表面含氧量提高,在表面引入了C=O、O-C=O等基团,这有助于纤维表面浸润性能和界面粘结性能的提高;FTIR测试显示,DBD处理后,纤维表面被氧化,在表面引入了含氧极性基团;Micro-bond测试表明,APPJ和DBD处理后IFSS分别提高了130.96%和117.33%,两种等离子体处理时间都能够显著提高IFSS,且在处理一定时间后IFSS都出现极大值;此外,APPJ处理气氛对IFSS的提高也有显著影响,混入1%的氧气处理能够极大的提高IFSS,而纤维回潮率和处理功率对IFSS的提高虽有积极作用,但作用不明显;单纤维拉伸测试结果表明,两种等离子体处理后纤维强度都有不同程度的下降,但除了DBD处理时间超过60s时,单纤维拉伸强度有较大下降外,纤维强度下降都在10%以内,不会影响复合材料的整体性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 PBO纤维的结构、性能及其应用概况
• 1.2 PBO纤维表面改性研究进展
• 1.3 PBO纤维常压低温等离子体处理可行性分析
• 1.4 本文研究的意义与主要内容
• 2 等离子体概述
• 2.1 等离子体
• 2.2 等离子体改性聚合物材料机理
• 2.3 几种常压等离子体介绍
• 2.4 等离子体技术在纺织上的应用
• 2.5 本章小结
• 3 常压等离子体射流对PBO纤维表面改性研究
• 3.1 实验材料及设备
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 4 介质阻挡放电对PBO纤维表面改性研究
• 4.1 实验材料及设备
• 4.2 实验
• 4.3 结果与分析
• 4.4 DBD与APPJ改性PBO纤维效果比较
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录 1
• 附录 2
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢