介質(zhì)阻擋放電等離子體處理對PBO纖維表面及其復(fù)合材料界面性能的影響.pdf

1、聚對苯撐苯并二惡唑(PBO)纖維增強(qiáng)熱塑性含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的聚芳醚砜酮(PPESK)樹脂基(PBO/PPESK)復(fù)合材料，具有比傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，同時，還具有耐沖擊、化學(xué)穩(wěn)定性好、加工周期短、可二次成型等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)期可應(yīng)用于航空航天、國防建設(shè)等高端技術(shù)領(lǐng)域。然而，PBO纖維分子結(jié)晶度高、分子鏈高度取向，使其具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時，導(dǎo)致纖維表面光滑平整，表面極性基團(tuán)缺乏，呈化學(xué)惰性，進(jìn)而導(dǎo)致其與PPES

2、K樹脂之間不能形成良好的化學(xué)鍵合及物理錨合作用，界面粘結(jié)性能較差，兩相間的界面結(jié)合強(qiáng)度過低，從而影響到PBO/PPESK復(fù)合材料的界面性能，限制其應(yīng)用前景。因此，選擇合適的改性手段，對PBO纖維表面進(jìn)行改性處理，提高其與PPESK樹脂之間的粘結(jié)性能，進(jìn)而增強(qiáng)PBO/PPESK復(fù)合材料的綜合性能，是十分必要的。
　　本文采用常壓空氣介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體改性處理PBO纖維表面，分別采用X射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微

3、鏡(SEM)以及原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)研究了DBD等離子體處理時間、功率密度等工藝參數(shù)對PBO纖維表面化學(xué)組成、表面物理形貌、表面粗糙度的影響，并且通過SFTS測試分析不同條件DBD等離子體改性對PBO纖維拉伸性能的影響。研究結(jié)果表明:經(jīng)一定條件(41.4 W/cm3-10 s)DBD等離子體改性后，纖維表面引入了大量的含氧基團(tuán)如-O-C=O等，PBO纖維表面O元素的含量由13.49％增加到24.01％，O/C值由0.162增加到0

4、.342;與此同時，由于PBO纖維經(jīng)DBD等離子體刻蝕后，表面的物理形貌變化明顯，纖維表面粗糙化，表面粗糙度增加，比表面積增大，進(jìn)而增加了纖維與樹脂基體之間的接觸面積，化學(xué)和物理兩方面的協(xié)同作用，使PBO纖維的表面性能得以改善。
　　采用動態(tài)接觸角分析(DCAA)、單絲浸膠SEM圖、熱失重分析(TGA)研究了常壓空氣DBD等離子體處理對PBO纖維表面的浸潤性能以及PPESK樹脂對PBO纖維表面的潤濕能力的影響。發(fā)現(xiàn)由于DBD等離子

5、體在纖維表面引入了大量的極性基團(tuán)，增大了PBO纖維的表面極性，不僅改善了PBO纖維的表面自由能，而且增強(qiáng)了PBO纖維與PPESK樹脂之間的化學(xué)鍵合作用。同時，等離子體的刻蝕作用在纖維表面引入了大量的凸起以及溝槽結(jié)構(gòu)，增大了兩相之間的接觸面積，進(jìn)而增強(qiáng)了PBO纖維與PPESK樹脂之間的物理錨合作用。上述兩方面的變化均對PBO纖維的表面浸潤性能以及PPESK樹脂對PBO纖維的潤濕能力的改善有著重要作用。因此，經(jīng)DBD等離子體改性后，PBO纖

6、維的接觸角變小，表面自由能增加，粘結(jié)在PBO纖維表面的PPESK樹脂增多，殘余重量降低。
　　采用溶液預(yù)浸濕法纏繞成型技術(shù)以及高溫模壓工藝制備PBO/PPESK復(fù)合材料，分別采用層間剪切強(qiáng)度(ILSS)、吸水率測試系統(tǒng)研究了常壓空氣DBD等離子體處理時間、功率密度等工藝參數(shù)對PBO/PPESK復(fù)合材料界面性能的影響，并且通過復(fù)合材料破壞斷裂形貌SEM圖分析了DBD等離子體改性前后，復(fù)合材料破壞模式的變化。由此發(fā)現(xiàn)，經(jīng)一定條件(41

7、.4 W/cm3-10 s)DBD等離子體改性后，PBO/PPESK復(fù)合材料的ILSS值由33.24 MPa增加到44.71 MPa，增加幅度為34.5％，而吸水率由0.46％降低到0.27％，極大改善了復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能，并且，DBD等離子體改性后PBO/PPESK復(fù)合材料的破壞模式也同時由未處理前的界面脫黏破壞向基體破壞發(fā)生了轉(zhuǎn)變。
　　采用常壓空氣DBD等離子體接枝改性PBO纖維表面，通過平行試驗(yàn)調(diào)整接枝液濃度以及接枝方

8、式得到不同改性條件后復(fù)合材料的ILSS值以及復(fù)合材料破壞斷面形貌SEM圖，由此發(fā)現(xiàn)，表面涂覆濃度為3％的DGEBA/acetone接枝液的PBO纖維經(jīng)一定處理?xiàng)l件(41.4 W/cm3-10 s)的DBD等離子體改性后增強(qiáng)PPESK樹脂基(PBO/DGEBA/PPESK)復(fù)合材料具有最高的ILSS值，為55.41 MPa，相比于未處理試樣，增加幅度高達(dá)66.7％，復(fù)合材料的破壞模式由界面脫黏破壞向基體破壞轉(zhuǎn)變，有效地改善了PBO/PPE

9、SK復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能。更重要的是，本文進(jìn)一步采用DSC分析研究兩種接枝方式DGEBA在PBO纖維表面的固化行為，推斷DBD等離子體接枝改性的機(jī)理以及可能發(fā)生的反應(yīng)，并通過FTIR加以驗(yàn)證。而且，采用TGA方法表征經(jīng)DBD等離子體接枝改性前后PBO/PPESK復(fù)合材料耐熱性能的變化，研究結(jié)果表明，引入到PBO纖維表面的DGEBA以化學(xué)鍵合和物理“鎖合”作用使PPESK樹脂基體緊密的粘結(jié)在PBO纖維表面，不僅起到“過渡層”的作用將應(yīng)力