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

因此,PBO纖維在制備復合材料之前需對其進行一定程度的預處理,改善其表面狀態(tài),增強與樹脂基體的結合性,從而制備出高效性能的復合材料。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構帶來了強的耐腐蝕,同時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,形成粗糙結構以及產(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纖維表面結構的可設計性。

等離子處理

等離子體處理作為PBO纖維表面改性的重要手段,其作用機理源于高能活性粒子對纖維表層的物理刻蝕與化學協(xié)同效應。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行轟擊,一方面通過物理濺射形成納米級溝壑結構以增大表面粗糙度,另一方面通過化學鍵斷裂重組在惰性表面引入含氧極性基團(如羥基、羧基),從而改善纖維與基體間的界面相容性。該技術優(yōu)勢體現(xiàn)在工藝效率高、環(huán)境友好且參數(shù)可控性強,通過調(diào)節(jié)放電功率、處理時長及工作氣體組分(如N2、Ar/O?混合比例),可定向調(diào)控表面拓撲形貌與化學活性。

氧等離子體處理PBO纖維原理

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,當真空室腔體中的氧氣分子在受到足夠的外部電場作用時,電子將獲得足夠的能量進入更高的能級,進而發(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,此過程也可以在PBO纖維表面形成含氧官能團以及表面微結構,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