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对位芳纶纤维等离子表面改性提高粘结性能

Aug. 06, 2024

合成纤维增强复合材料已在航空航天、汽车工业等领域得到广泛使用。在合成纤维中,被称为凯夫拉的对位芳纶纤维具有非凡的性能,如超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻,耐磨损等。其玻璃化转变温度约为360°C,拉伸强度是钢丝的6倍,拉伸模量是钢丝及玻纤的2~3倍,密度仅为钢丝的五分之一,具有更好的机械性能。由于这些独特的性能,对位芳纶纤维也可用于制备导电纸来改善SnO2锂离子电池的性能。通过吸附芳纶纳米纤维涂层增强复合材料的界面性能。还有利用芳纶纤维的阻燃性能研究芳纶纤维与铵盐的协同阻燃效果。芳纶纤维的聚合物链中有大共轭苯环的存在难以形成内旋转,形成了一种线性刚性结构。目前,芳纶纤维非常受欢迎,因为它在弹道、气动支撑、汽车、造船、航空、军用头盔、防护手套、消防服等现代和尖端创新中应用不断增长。

由于对位芳纶纤维具有较高的结晶度和相对惰性的化学结构,直接削弱了纤维表面和树脂基体的结合能力,所以芳纶纤维与大多数聚合物基体之间的粘合力较差。因此有必要对芳纶纤维的表面进行改性,以提高表面的粗糙度和极性基团的含量。

对位芳纶纤维等离子表面改性提高粘结性能

界面润湿理论认为,固体材料表界面的黏附性能与其表面能与润湿性密切相关,一定程度上改变其表面粗糙度有利于改变表面能和表面润湿性。据此,芳纶纤维的改性可以从两个方面进行,一是降低其表面规整性,提高纤维表面的粗糙度,提升纤维与基体材料之间的浸润性和物理铆合作用;二是在纤维表面引入活性基团,提高其表面基团与基体树脂的反应性。总之,使之能通过物理作用或化学键连接,提高基体与纤维的界面的粘结强度。

对芳纶纤维进行改性的常用方法是化学改性,如聚合改性、化学表面接枝和化学刻蚀。化学改性的效果持久,且表面粗糙度和界面剪切强度均有显著提高。但会破坏纤维表面结构,导致力学性能下降,化学试剂排放也会对环境造成影响。而等离子体改性则解决了这些问题,它通过改变材料表面极性官能团和粗糙程度来实现改性目的,不破坏纤维的力学性能且不会造成环境污染。

等离子体之所以可以用于高分子材料的表面改性主要是因为等离子体中含有大量的活性粒子。这些活性粒子主要包括电子、离子、亚稳态粒子(激发态分子和原子、游离的自由基)以及紫外光子等。等离子体中的活性粒子通过撞击、辐射等方式作用在材料表面,引起材料表面的物理特性和化学特性变化。

一方面通过原子、电子的轰击在纤维表明产生新的极性官能团;另一方面也在纤维表面产生沟壑,增加了纤维表面的粗糙度,增大了纤维与基体的界面粘结性能。

综上所述:对位芳纶纤维与传统材料相比是一种取向度大、结晶度高的高性能纤维材料,然而由于较高的结晶度和相对惰性的化学结构,直接削弱了纤维表面和树脂基体的结合能力。等离子体处理改性技术通过在物体表面产生等离子体来改善其表面性能,这种处理可以改善聚合物纤维材料的表面和物理力学性能,等离子体处理在对位芳纶纤维表面引入了活性基团,加强了芳纶和基体之间的化学键合,同时提高了芳纶表面粗糙度,改善了其与基体的机械啮合。

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