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作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的主要承載部分,增強(qiáng)纖維必須具備優(yōu)異的力學(xué)性能,而PBO纖維擁有高分子纖維中最高的拉伸強(qiáng)度(高達(dá)5.8GPa)與模量,在高性能復(fù)合材料領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。然而,PBO纖維表現(xiàn)出強(qiáng)的表面惰性,并且缺乏極性官能團(tuán),這導(dǎo)致其與樹脂基體復(fù)合時(shí)界面處缺陷積累,損害復(fù)合材料綜合性能。

因此,PBO纖維在制備復(fù)合材料之前需對其進(jìn)行一定程度的預(yù)處理,改善其表面狀態(tài),增強(qiáng)與樹脂基體的結(jié)合性,從而制備出高效性能的復(fù)合材料。然而,PBO纖維的表面改性是極其困難的,其特殊的剛性棒狀分子結(jié)構(gòu)帶來了強(qiáng)的耐腐蝕,同時(shí)光滑表面也不利于活性物質(zhì)在纖維表面的附著。而氧等離子體處理可以通過高能量的氧等離子體轟擊PBO纖維表面,形成粗糙結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生活性氧與懸掛鍵,并且氧等離子體處理后的活性表面更有利于涂層的附著,增加了PBO纖維表面結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性。

氧等離子體處理對PBO纖維性能的影響

氧等離子體處理PBO纖維的工作原理如圖1-1所示。將樣品至于腔體中,當(dāng)真空室腔體中的氧氣分子在受到足夠的外部電場作用時(shí),電子將獲得足夠的能量進(jìn)入更高的能級,進(jìn)而發(fā)生電離作用產(chǎn)生帶電粒子或亞穩(wěn)態(tài)的粒子。這種電離氣氛能量高于PBO的化學(xué)鍵能,使其在帶電粒子的轟擊下被部分氧化分解,產(chǎn)生氣態(tài)氧化物(如CO2、NO2)。同時(shí),此過程也可以在PBO纖維表面形成含氧官能團(tuán)以及表面微結(jié)構(gòu),從而改善纖維的表面狀態(tài)并提升表面活性,改善了PBO纖維與樹脂基體的界面相容性。

圖1-1 氧等離子體處理PBO纖維示意圖

PBO纖維表面形貌分析

采用SEM對PBO纖維的表面形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)觀察,結(jié)果如圖1-2所示。可以看到未經(jīng)處理的PBO纖維表面光滑平整,這主要源于其獨(dú)特的紡絲工藝及化學(xué)結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過300W功率的氧等離子體處理5min后,PBO纖維表面出現(xiàn)了分布均勻且具有納米級尺寸的圓形氧化顆粒。這些顆粒的形成是由于高能氧等離子體的轟擊作用,引發(fā)了纖維表面的氧化反應(yīng)。

圖1-2 不同氧等離子體處理時(shí)間PBO纖維表面SEM 

隨著處理時(shí)間的延長,在300W功率下進(jìn)行10min的氧等離子體處理后,PBO纖維表面的氧化顆粒逐漸增大,并且呈現(xiàn)聚集的趨勢,相較于5min處理時(shí),氧化顆粒在表面呈現(xiàn)出較為散亂且較為鋒利的邊緣。在處理時(shí)間延長至20min時(shí),表面氧化顆粒進(jìn)一步聚集,并出現(xiàn)了明顯的島狀凸起結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象可歸因于長時(shí)間的氧等離子體轟擊導(dǎo)致PBO纖維表面某些區(qū)域發(fā)生了溶解膨脹的效應(yīng),從而形成了較為顯著的微結(jié)構(gòu)變化。

氧等離子體處理因其高能量密度和快速反應(yīng)特性,能夠在短時(shí)間內(nèi)顯著改變PBO纖維的表面形貌,形成具有精細(xì)控制的微結(jié)構(gòu)。

PBO纖維表面化學(xué)狀態(tài)分析

如圖1-3所示,氧等離子體處理后的PBO纖維FTIR圖譜顯示,在1615cm?1處出現(xiàn)了顯著的C=N鍵伸縮振動峰,對應(yīng)于PBO分子結(jié)構(gòu)中的惡唑環(huán)。此外,在1619cm?1至1415cm?1范圍內(nèi),可觀察到苯環(huán)的伸縮振動峰,進(jìn)一步證實(shí)了PBO纖維的分子特征。

圖1-3 氧等離子體處理后PBO纖維FTIR圖譜

除此之外,在3480cm?1處檢測到明顯的羥基(-OH)吸收峰,這表明氧等離子體的氧化作用在纖維表面引入了極性基團(tuán),從而提高了纖維的表面活性。此外,在1730cm?1處出現(xiàn)了羰基(-C=O)伸縮振動峰,表明部分PBO結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了氧化過程,導(dǎo)致羧基(-COOH)或酯基(-COOR)的形成。這些氧化基團(tuán)的引入顯著增強(qiáng)了纖維表面的親水性和化學(xué)反應(yīng)活性。

氧等離子體處理不僅增加了PBO纖維表面的粗糙度,而且通過化學(xué)改性在纖維表面引入了氧化基團(tuán),進(jìn)而提高了其表面活性。這種改性效應(yīng)為后續(xù)離子螯合共聚物涂層的結(jié)合提供了更多的活性位點(diǎn)。

等離子體處理作為PBO纖維表面改性的重要手段,其作用機(jī)理源于高能活性粒子對纖維表層的物理刻蝕與化學(xué)協(xié)同效應(yīng)。在等離子體場中,激發(fā)態(tài)粒子(如電子、離子及自由基)通過動能傳遞對纖維表面進(jìn)行轟擊,一方面通過物理濺射形成納米級溝壑結(jié)構(gòu)以增大表面粗糙度,另一方面通過化學(xué)鍵斷裂重組在惰性表面引入含氧極性基團(tuán)(如羥基、羧基),從而改善纖維與基體間的界面相容性。該技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在工藝效率高、環(huán)境友好且參數(shù)可控性強(qiáng),通過調(diào)節(jié)放電功率、處理時(shí)長及工作氣體組分(如N2、Ar/O?混合比例),可定向調(diào)控表面拓?fù)湫蚊才c化學(xué)活性。