聚合物涂层对等离子体处理有机纤维表面及复合材料界面性能的影响

论文摘要

高性能有机纤维,如对苯撑苯并二嗯唑（PBO）纤维、芳纶（如Twaron）纤维等,因其卓越的拉伸强度、模量、韧性和优异的耐高温、抗冲击等性能,受到了越来越多的关注。而高性能有机纤维增强热塑性树脂基复合材料则具有较高的断裂韧性、损伤容限、抗冲击性能以及良好的可加工性能。常应用于航空航天、国防军工等高技术领域。但是因为PBO纤维和Twaron纤维都具有表面光滑,缺少极性基团,表面化学惰性等特点,使得其很难与树脂基体产生优良的粘结,造成其增强含二氮杂萘结构聚醚砜酮（PPESK）树脂基复合材料的界面粘结强度很差,导致复合材料的力学性能不能充分发挥。因此,需要对芳纶和PBO纤维表面进行改性,以改变其表面化学性能和表面物理形貌,提高其表面浸润性能,最终有效地提高复合材料的界面粘结性能。本文用射频感应耦合等离子体（ICP）对PBO和Twaron纤维进行表面处理,随即进行聚合物涂层处理,采用红外光谱（FTIR）、X-射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）及动态接触角测试（DCAA）等分析测试手段分析了经聚合物涂层处理前后纤维的表面化学性能、物理形貌以及表面浸润性的变化关系进行测试。采用层间剪切强度（ILSS）、吸湿率和SEM对复合材料的界面粘结强度、耐湿热性能和断面形貌进行分析,并探讨了改性后界面粘结强度改善的机制。论文以复合材料的ILSS为评价标准,通过正交试验法讨论了涂层液浓度及氧气等离子体放电参数对环氧树脂涂层改性PBO增强PPESK复合材料力学性能的影响。确定最佳工艺条件为：放电时间10min、放电功率为100W、放电气压为30Pa、涂层液浓度为3%。研究表明,涂层改性明显地改善了PBO纤维的表面性能、加大了表面粗糙度,提高了其表面自由能,有利于其与基体树脂的润湿。最终,复合材料的ILSS有了56.3%的提高,吸湿率降低了27.3%,材料的破坏模式也从界面脱粘转变为本体破坏。用氧气等离子体处理了PBO纤维表面,并用PEK-C和PES-C两种热塑性树脂对纤维进行涂层改性。XPS结果显示两种聚合物涂层处理后的PBO纤维表面氧元素含量升高,且引入了酯基、羰基或者砜基等活性基团。纤维的表面粗糙程度加大,表面自由能提高。PBO/PPESK复合材料的ILSS显著加大,其中PEK-C涂层处理后复合材料的ILSS增大了80.7%,复合材料的吸湿总量和吸湿速率都明显降低。热塑性树脂涂层可以与扩散的PPESK基体分子发生物理缠结作用产生了强大的粘结力,同时,涂层与纤维表面又有着强的化学作用,最终实现了复合材料界面性能的改善。本文使用氧气等离子体引发环氧树脂涂层对Twaron纤维的表面进行了改性,将经过相同等离子体处理条件下的纤维浸泡在不同浓度的涂层溶液中,发现1wt%的涂层溶液处理后的复合材料的ILSS值最高。涂层分子与纤维表面分子发生了化学键合,C-N基团含量降低、C=O等基团消失,同时出现了大量的C-O基团,这使得纤维表面的极性和反应活性增强,导致纤维的表面自由能提高。系统分析了不同放电时间和功率下,纤维的表观物理形貌和复合材料的界面粘结强度的变化。处理时间过长、放电功率过大都可能导致Twaron纤维表面刻蚀过重而导致复合材料界面粘结强度的下降。结果发现在放电功率为100W,放电时间为10min下,复合材料的ILSS值最高,且此时的吸湿率最低。论文系统研究了氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维表面性能影响,及各种放电参数对材料界面性能的影响。大量C-O基团被引入到纤维的表面,改性后的纤维形貌更为复杂,一层树脂覆盖在纤维的表面。纤维的表面自由能由49.9mJ/m2提高到了61.8mJ/m2。不同放电时间和功率条件下,复合材料的ILSS不同,在100W、10min和30Pa下,ILSS达到66.2MPa,增幅达68.9%。经过等离子体处理后的纤维表面,在涂层改性过程中会有大量环氧树脂分子沉积在纤维表面,复合材料的制备过程中,PPESK分子扩散到环氧树脂层中,在模压高温下,环氧树脂发生固化,形成束缚层使得纤维不易在剪切力作用下发生滑移,因而有利于ILSS的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 1 高性能有机纤维及其增强树脂基复合材料研究进展
• 1.1 复合材料及其界面理论概述
• 1.1.1 复合材料概述
• 1.1.2 复合材料界面及其理论
• 1.2 高性能有机纤维概述
• 1.2.1 芳纶纤维研究发展概况
• 1.2.2 PBO纤维研究发展概况
• 1.3 高性能热塑性树脂基体研究概况
• 1.4 高性能有机纤维表面改性研究进展
• 1.4.1 化学改性
• 1.4.2 电晕改性
• 1.4.3 高能射线技术
• 1.4.4 低温等离子体技术
• 1.5 聚合物涂层技术
• 1.5.1 聚合物涂层处理的原理
• 1.5.2 常用聚合物
• 1.5.3 影响聚合物涂层的因素
• 1.6 本课题主要研究内容
• 2. 实验材料及方法
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 有机纤维表面处理及复合材料制备
• 2.2.1 有机纤维的表面清洗
• 2.2.2 有机纤维的等离子体处理
• 2.2.3 有机纤维的涂层处理
• 2.2.4 涂层后纤维的抽提处理
• 2.2.5 复合材料的制备
• 2.3 纤维性能表征方法
• 2.3.1 全反射红外光谱（FTIR）
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.4 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.5 动态接触角分析（DCAA）
• 2.3.6 单丝纤维拉伸强度（SFTS）
• 2.4 复合材料性能表征方法
• 2.4.1 层间剪切强度（ILSS）
• 2.4.2 复合材料耐湿热性能分析
• 3 氧气等离子体引发环氧树脂涂层对PBO纤维表面及其复合材料界面的影响
• 3.1 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性工艺的研究
• 3.2 氧气等离子体引发环氧树脂涂层在PBO纤维表面的存在形式
• 3.3 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO纤维表面性能的影响
• 3.3.1 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO纤维表面化学结构的影响
• 3.3.2 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO纤维表面形貌及粗糙度的影响
• 3.3.3 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO纤维表面浸润性能的影响
• 3.4 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO/PPESK界面粘结性能的影响
• 3.4.1 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO/PPESK复合材料层间剪切强度的影响
• 3.4.2 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对PBO/PPESK复合材料吸湿率的影响
• 3.4.3 复合材料断面形貌及破坏模式分析
• 3.5 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性PBO纤维及其复合材料机理探讨
• 3.6 本章小结
• 4 氧气等离子体引发热塑性树脂涂层对PBO纤维表面及其复合材料界面的影响
• 4.1 氧气等离子体引发热塑性树脂涂层在PBO纤维表面的存在形式
• 4.2 氧气等离子体引发热塑性树脂涂层改性对PBO纤维表面性能的影响
• 4.2.1 热塑性树脂涂层改性对PBO纤维表面化学结构的影响
• 4.2.2 热塑性树脂涂层改性对PBO纤维表面形貌的影响
• 4.2.3 热塑性树脂涂层改性对PBO纤维表面浸润性能的影响
• 4.3 氧气等离子体引发热塑性树脂涂层改性对PBO纤维拉伸性能的影响
• 4.4 氧气等离子体引发热塑性树脂涂层改性对PBO/PPESK界面粘结性能的影响
• 4.4.1 复合材料层间剪切强度的变化
• 4.4.2 复合材料耐湿热性能的变化
• 4.4.3 复合材料断面形貌及破坏模式分析
• 4.5 本章小结
• 5 氧气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维表面及其复合材料界面的影响
• 5.1 涂层液浓度对Twaron/PPESK复合材料界面性能的影响
• 5.2 氧气等离子体引发环氧树脂涂层对Twaron纤维表面化学性能及表面自由能的影响
• 5.2.1 氧气等离子体引发环氧树脂涂层对Twaron纤维表面化学性能的影响
• 5.2.2 氧气等离子体引发环氧树脂涂层对Twaron纤维表面自由能的影响
• 5.3 放电时间对环氧涂覆Twaron纤维表面形貌及复合材料界面性能的影响
• 5.3.1 放电时间对环氧涂覆Twaron纤维表面形貌的影响
• 5.3.2 等离子体处理时间对Twaron/PPESK复合材料界面性能的影响
• 5.4 等离子体放电功率对Twaron纤维表面形貌及Twaron/PPESK界面性能的影响
• 5.4.1 等离子体放电功率对Twaron纤维表面形貌的影响
• 5.4.2 等离子体放电功率对Twaron/PPESK复合材料界面性能的影响
• 5.5 本章小结
• 6 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维表面及其复合材料界面的影响
• 6.1 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维表面性能的影响
• 6.1.1 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维化学性能的影响
• 6.1.2 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对环氧涂覆Twaron纤维表面形貌的影响
• 6.1.3 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron纤维表面自由能的影响
• 6.2 氩气等离子体放电时间对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK界面性能的影响
• 6.2.1 氩气等离子体放电时间对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK复合材料ILSS的影响
• 6.2.2 氩气等离子体放电时间对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK复合材料吸湿率的影响
• 6.3 氩气等离子体放电功率对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK复合材料界面性能的影响
• 6.3.1 氢气等离子体放电功率对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK复合材料ILSS的影响
• 6.3.2 氩气等离子体放电功率对环氧树脂涂层改性Twaron/PPESK复合材料吸湿率的影响
• 6.4 氩气等离子体引发环氧树脂涂层改性对Twaron/PPESK复合材料断面形貌的影响
• 6.5 等离子体引发环氧树脂涂层改性前后Twaron/PPESK复合材料吸湿速率的变化
• 6.6 本章小结
• 结论
• 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介