常壓等離子體改性苧麻增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料界面性能的研究.pdf

1、天然植物纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料由于成本低、成型快、輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊、耐酸堿及可回收等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。我國天然纖維尤其是麻類纖維資源豐富，其中苧麻產(chǎn)量世界第一，如能將其開發(fā)為高附加值的增強(qiáng)纖維很有意義。但是苧麻纖維親水性的表面與熱塑性樹脂基體疏水性的表面極性差別大，兩者之間相容性差使得其界面粘結(jié)性能差，負(fù)載不能有效地通過界面?zhèn)鬟f，造成復(fù)合材料整體性能下降。目前常使用的界面改性方法雖能取得一定效果，但是處理效率低、能源消耗高、對纖維損

2、傷大，且廢棄物的處理污染環(huán)境，不符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的理念，因此對環(huán)境友好、可操作性強(qiáng)、處理效率高且對纖維損傷小的等離子體技術(shù)在材料表面改性領(lǐng)域研究中的關(guān)注度與日俱增。如能將等離子體技術(shù)運(yùn)用于植物纖維的表面改性，提高植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能，極有發(fā)展前景。
　　但是，大部分等離子體處理都是在低氣壓的條件下進(jìn)行，而抽真空系統(tǒng)成本高，處理不連續(xù)，加上抽真空處理對于一些含液體的樣品難以實施，使得等離子體技術(shù)的應(yīng)用受到了一定的限制。因

3、而國際上正積極研究不需要真空系統(tǒng)的常壓等離子體技術(shù)，目前主要有兩種：常壓等離子體射流（APPJ）和常壓介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體。
　　本課題采用常壓APPJ和DBD設(shè)備，以苧麻纖維和苧麻織物為研究對象，系統(tǒng)地研究了常壓等離子體技術(shù)對苧麻纖維表面性能的影響；等離子體處理參數(shù)對改性效果的交互作用；等離子體對苧麻纖維改性的時效性；等離子體對苧麻織物的改性以及對苧麻織物增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料界面性能及力學(xué)性能的影響。圍繞該主題，本文開展

4、的主要工作如下：
　　（1）采用常壓DBD等離子體對苧麻纖維表面進(jìn)行改性，選用聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為熱塑性樹脂基體。分別采用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線光電子能譜（XPS）、纖維動態(tài)接觸角分析（DCAA）以及單纖維拉伸強(qiáng)度測試等考察了等離子體處理對苧麻纖維表面形貌、表面化學(xué)成分、表面親水性能的改變以及對苧麻纖維強(qiáng)度的影響，采用單纖維抽拔測試來檢測苧麻纖維與PBS樹脂的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）。研究結(jié)果表

5、明：經(jīng)等離子體處理后，苧麻纖維表面變得粗糙并出現(xiàn)了許多明顯的顆粒、微坑和凸起，增加了纖維表面與PBS的機(jī)械鎖合作用。纖維表面碳元素含量以及C-C基團(tuán)含量明顯提高，纖維接觸角也明顯提高，苧麻與PBS樹脂間的IFSS值增幅最高約46％，苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度沒有出現(xiàn)顯著性減小。同時發(fā)現(xiàn)等離子體處理電壓對苧麻纖維的表面改性有顯著性影響：當(dāng)處理電壓低于一定閾值時，等離子體對苧麻纖維幾乎起不到改性效果；而處理電壓過高時，則會破壞改性效果，因此應(yīng)合理選

6、擇等離子體處理參數(shù)。
　?。?）常壓等離子體處理參數(shù)對材料表面改性效果通常有顯著性影響，而等離子體各處理參數(shù)對改性效果的影響不是獨(dú)立的，參數(shù)間往往有交互作用。為了研究常壓等離子體處理參數(shù)對苧麻纖維表面改性效果的綜合影響，設(shè)計改進(jìn)了一種新型的常壓DBD等離子體設(shè)備對苧麻纖維表面進(jìn)行改性，使用中心復(fù)合設(shè)計（CCD）響應(yīng)面法（RSM）對等離子體處理參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，在單因素實驗研究基礎(chǔ)上，選定3個影響較大的因素（處理電流、處理時間、乙醇?xì)怏w

7、流速）作3因素5水平實驗來考察處理參數(shù)對等離子體改性苧麻纖維的協(xié)同作用，共有15組實驗處理參數(shù)。分別采用場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）、XPS、DCAA考察了苧麻纖維表面形貌、表面化學(xué)成分及表面親水性能的變化；由單纖維抽拔測試獲得苧麻纖維與聚丙烯樹脂基體間的IFSS值；由四極桿質(zhì)譜分析儀來測試等離子反應(yīng)室內(nèi)的氣體成分。研究表明：等離子體處理參數(shù)間存在交互作用，在處理電流（10 mA），處理時間（5 min）及乙醇流速（8 sccm）的等離

8、子體處理參數(shù)下，苧麻與聚丙烯間的IFSS增幅值為最高約為50%，而且流速是對改性效果影響最顯著的因素。由質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，乙基基團(tuán)濃度較高的組，其相應(yīng)的DCAA值和IFSS值也大多比較高，說明乙基的濃度與等離子體對苧麻纖維的改性效果緊密相關(guān)。此外，本實驗中在原有的氣體通道外另增加了一個通道，這種對傳統(tǒng)等離子體設(shè)備的改良方法可以控制和按需調(diào)節(jié)處理氣體成分比，對提高等離子體處理效果的重復(fù)性和穩(wěn)定性很有幫助。
　?。?）常壓等離子對材料表面

9、改性的主要問題是等離子體的時效性，即改性后的材料表面狀態(tài)會慢慢回復(fù)到未改性水平。由于改性后的材料在等待應(yīng)用過程中還可能會經(jīng)過相當(dāng)長的一段時間，因此時效性研究成為了等離子體對材料表面改性研究領(lǐng)域必不可少的內(nèi)容。為了進(jìn)一步研究常壓等離子體對苧麻纖維的表面改性效果是否存在時效性，使用常壓等離子體射流（APPJ）設(shè)備對苧麻纖維表面進(jìn)行處理，并在150天內(nèi)每隔一定時間分別對纖維進(jìn)行測定，采用SEM、XPS、纖維接觸角測試等分析技術(shù)考察苧麻纖維的表

10、面形貌、表面化學(xué)成分及表面親水性能的變化；采用單纖維抽拔測試對苧麻纖維及聚丙烯樹脂間的IFSS值進(jìn)行測定；并采用SEM對單纖維抽拔測試后的苧麻纖維表面脫粘區(qū)域形貌進(jìn)行分析。研究表明：在150天內(nèi)，苧麻纖維表面化學(xué)成分中碳氧元素及各基團(tuán)的含量較為穩(wěn)定，而表面親水性、苧麻/聚丙烯的IFSS值以及苧麻纖維脫粘形貌未見明顯變化，即常壓等離子體處理將親水性的苧麻表面改性為疏水性后，其表面未見明顯的親水性回復(fù)，因此常壓等離子體處理可被用作一種改性效

11、果較為穩(wěn)定和持久的材料表面改性方法。
　　（4）使用常壓DBD等離子體對苧麻織物表面進(jìn)行改性，使用熱壓法制備苧麻織物增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料板，以研究常壓等離子體改性前后苧麻織物表面性能以及其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料界面性能和力學(xué)性能的改善。采用SEM、XPS、表面接觸角測試來分別考察苧麻織物的表面形貌、化學(xué)成分及表面親水性能的變化；并采用SEM來觀察經(jīng)層間剪切強(qiáng)度（ILSS）測試后的織物表面脫粘區(qū)域形貌；采用ILSS測試、彎曲強(qiáng)度測試和拉伸

12、強(qiáng)度測試來分別檢測等離子體改性前后的復(fù)合材料剪切性能、彎曲性能和拉伸性能。通過SEM分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常壓等離子體改性后，苧麻纖維表面粗糙度增加，改性后的苧麻織物增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的界面剪切破壞模式由粘合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱藘?nèi)聚破壞，剪切破壞區(qū)域纖維表面粘附了大量聚丙烯樹脂，纖維與樹脂基體間的結(jié)合性能改善，是較為理想的界面破壞模式。通過 XPS和接觸角測試表明，常壓等離子體處理后苧麻織物表面的碳元素比例大幅度上升，氧碳元素比例降低，苧麻織物表面接觸角