氧氣等離子體改性對(duì)PBO纖維表面及PBO-PPESK復(fù)合材料界面的影響.pdf

1、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑( PBO)纖維增強(qiáng)含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的聚芳醚砜酮(PPESK)樹(shù)脂基復(fù)合材料(PBO/PPESK)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，同時(shí)還具有較好的吸波隱身功能，預(yù)期可作為火箭、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等的外層結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)部承力機(jī)構(gòu)材料，在航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域具有很好的推廣應(yīng)用前景。但是，PBO/PPESK復(fù)合材料存在界面粘結(jié)性能差的問(wèn)題。界面是復(fù)合材料的“心臟”，是連接增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體的紐帶和橋梁，對(duì)復(fù)合材料的性能起到至關(guān)重

2、要的作用，界面粘結(jié)性能的好壞直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐熱性能甚至復(fù)合材料的使用壽命，良好的界面粘結(jié)是提高復(fù)合材料質(zhì)量的關(guān)鍵。PBO纖維由于分子鏈結(jié)晶取向度高，表面光滑，表面化學(xué)活性低，缺少極性基團(tuán)，使得其與樹(shù)脂基體很難形成良好的浸潤(rùn)和有效的化學(xué)鍵合，導(dǎo)致PBO/PPESK復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度較低?；诖?，有必要對(duì)PBO纖維進(jìn)行表面改性，以提高PBO纖維的浸潤(rùn)性能及其與PPESK樹(shù)脂基體間的界面粘接性能，進(jìn)而有效地提高PBO/PPE

3、SK復(fù)合材料的綜合性能。
　　 本文利用射頻感性耦合氧氣等離子體對(duì)PBO纖維進(jìn)行了表面處理，分別采用X射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)及動(dòng)態(tài)接觸角分析(DCA)系統(tǒng)研究了氧氣等離子體處理時(shí)間、放電氣壓、放電功率等工藝參數(shù)對(duì)PBO纖維的表面化學(xué)成分、表面形貌、表面粗糙度及表面自由能的影響。研究結(jié)果表明：氧氣等離子體處理能夠在PBO纖維表面引入O-C=O基等極性基團(tuán)，使纖維表面極性基團(tuán)的含量

4、增加，等離子體對(duì)纖維表面具有明顯的刻蝕作用，經(jīng)等離子體處理后PBO纖維的表面粗糙度增加，表面自由能增大，纖維的浸潤(rùn)性能得到明顯改善。利用氧氣等離子體對(duì)PBO纖維進(jìn)行表面處理時(shí)應(yīng)選擇合適的等離子體處理工藝參數(shù)。
　　 利用溶液預(yù)浸濕法纏繞成型和高溫模壓工藝制備連續(xù)PBO纖維增強(qiáng)PPESK樹(shù)脂基復(fù)合材料，并采用氧氣等離子體對(duì)PBO/PPESK復(fù)合材料進(jìn)行了界面改性研究。通過(guò)層間剪切強(qiáng)度(ILSS)及吸水率測(cè)試表征了氧氣等離子體處理時(shí)

5、間、放電氣壓、放電功率等工藝參數(shù)對(duì)PBO/PPESK復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響，采用SEM對(duì)復(fù)合材料的斷面形貌進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：氧氣等離子體處理能夠使PBO/PPESK復(fù)合材料的ILSS增大，吸水率降低，復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能得到明顯改善。在載荷的作用下，PBO/PPESK復(fù)合材料的破壞模式由未處理的界面脫粘破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕獾入x子體處理后樹(shù)脂基體的破壞。利用氧氣等離子體對(duì)PBO/PPESK復(fù)合材料進(jìn)行界面改性時(shí)應(yīng)該選擇適宜的等離子

6、體處理?xiàng)l件，等離子體處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、放電氣壓偏低、放電功率過(guò)大都可能對(duì)PBO纖維的本體性能造成損傷，導(dǎo)致PBO/PPESK復(fù)合材料界面粘結(jié)性能下降。氧氣等離子體處理能夠提高PBO/PPESK復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能主要是基于PBO纖維與PPESK樹(shù)脂基體間的化學(xué)鍵合作用和機(jī)械嵌合作用的協(xié)同效應(yīng)，纖維與樹(shù)脂基體間的化學(xué)鍵合作用對(duì)復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的貢獻(xiàn)大于機(jī)械嵌合作用。當(dāng)氧氣等離子體處理時(shí)間為15min、放電氣壓為30Pa、放電功率為200

7、W時(shí)，PBO/PPESK復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能最好。
　　 采用DCA、XPS及AFM對(duì)氧氣等離子體處理的時(shí)效性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：經(jīng)氧氣等離子體處理后的PBO纖維在空氣中放置一段時(shí)間后，纖維表面的活性粒子與活性基團(tuán)之間發(fā)生了一系列的重排或者后反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果是PBO纖維表面自由能降低，表面極性基團(tuán)的含量減少，纖維表面粗糙度先增大后減小。ILSS及吸水率測(cè)試表明氧氣等離子體處理的時(shí)效性會(huì)使PBO/PPESK復(fù)合材料的界面粘結(jié)性

8、能下降。PBO纖維表面及PBO/PPESK復(fù)合材料界面的時(shí)效行為發(fā)生在PBO纖維經(jīng)等離子體處理后的頭幾天內(nèi)，隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，纖維表面及復(fù)合材料的界面狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，時(shí)效行為不再顯著。
　　 進(jìn)一步利用氧氣等離子體接枝環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)PBO/PPESK復(fù)合材料進(jìn)行了界面改性研究。通過(guò)正交試驗(yàn)確定了氧氣等離子體接枝環(huán)氧樹(shù)脂改性的最佳工藝條件為：氧氣等離子體放電功率為50W、處理時(shí)間為10min、放電氣壓為30Pa、接枝劑(環(huán)氧樹(shù)脂/丙