李健 楊建忠
摘要:為改善PBO纖維的潤濕性,拓寬其應用領域,探究了空氣低溫等離子體處理對PBO纖維潤濕性的影響。通過芯吸效應和接觸角表征處理前后PBO纖維潤濕性,并采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察處理前后PBO纖維表面形貌,用X射線光電子能譜儀(XPS)對處理前后PBO纖維表面化學組成進行定性分析。實驗結果表明,改性后PBO纖維芯吸高度大幅上升,接觸角明顯降低,并且在其表面產(chǎn)生明顯刻痕,局部有剝離現(xiàn)象,改性后PBO纖維O、N元素含量均有所提高,PBO纖維潤濕性明顯增強。
關鍵字:PBO纖維;等離子體;芯吸效應;接觸角;潤濕性
聚聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維是一種高性能纖維,具有高模、高強、耐高溫等顯著特點,被認為是21世紀的超級纖維[1~3]。PBO分子中含苯環(huán)及芳雜環(huán),取向度高,PBO纖維表面光滑且缺少活性基團,本身呈化學惰性,潤濕性差,這也導致了PBO纖維粘附性差,限制了其在復合材料及層壓織物領域中的應用[3~8]。PBO纖維潤濕性的改善對研究PBO纖維其他性能也有著重要意義。等離子體技術是一種物理干法處理手段,有高效、經(jīng)濟、環(huán)保等特點,在紡織材料表面改性中已有廣泛的應用[9~13]。本文應用空氣低溫等離子體處理PBO纖維,探究PBO纖維潤濕性的變化。
1 實驗部分
1.1 實驗材料及儀器
均PBO纖維(HM,1.4D,日本東洋紡),去離子水,碳素墨水。
HD-1B型低溫等離子體儀,常州新區(qū)等離子體公司;JSM-6700F掃描電子顯微鏡(SEM),日本電子株式會社;X射線光電子能譜儀(XPS);JC2000C3型接觸角測定儀,上海中晨數(shù)字技術設備有限公司;YG(B)871型毛細效應測定儀,溫州大榮紡織儀器有限公司。
1.2 試樣制備
芯吸實驗試樣制備與處理:將PBO纖維長絲剪切為25 cm,以絲束的形式并排粘在玻璃棒上,放入等離子體儀中。選取空氣低溫等離子體處理,共取24組試樣,處理條件為:25 Pa(放電氣壓),200 W(放電功率),240 s(處理時間)。
測接觸角試樣制備與處理:將PBO纖維密鋪排列在載玻片上,盡量保持平整,然后進行空氣低溫等離子體處理,共取8組試樣,處理條件同芯吸實驗。
1.3 測試方法
1)潤濕性
芯吸高度測量:采用YG(B)871型毛細效應測定儀測量處理前后PBO纖維芯吸高度的變化。參考標準《FZ/T 0107—2008 紡織品毛細效應試驗方法》。30 min測芯吸高度,碳素墨水作為指示劑。
接觸角測量:采用JC2000C3型接觸角測定儀測量處理前后PBO纖維與水的接觸角。
2)PBO纖維表面形貌觀察
采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡(SEM)對處理前后PBO纖維表面進行觀察。
3)PBO纖維表面化學成分分析
采用X射線光電子能譜(XPS)技術,分析經(jīng)空氣低溫等離子體處理后PBO纖維表面成分的變化。在XPS譜圖中,橫坐標表示結合能,縱坐標表示強度。并測試出PBO纖維表面碳、氮、氧3種元素含量的變化。
2 結果與討論
2.1 潤濕性
2.1.1 芯吸效應
空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維芯吸高度見表1。
由表1可以看出,經(jīng)空氣低溫等離子體處理后,PBO纖維30 min的芯吸高度達9.11 cm,比未處理的芯吸高度增加了69.0%,潤濕性明顯增強。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團的變化有著密切關系。
2.1.2 接觸角
空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維與水的接觸角見表2。
由表2可以看出,經(jīng)空氣低溫等離子體處理后,PBO纖維的接觸角為27.44°,未處理的接觸角為72.61,改性后接觸角明顯降低。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團的變化有著密切關系。
觀察發(fā)現(xiàn),未處理PBO纖維表面水滴鋪展速度較慢,400 ms甚至800 ms后,接觸角的變化不大;而經(jīng)處理后的PBO纖維,其表面水滴鋪展迅速,80 ms后接觸角迅速減小,200 ms后水滴完全鋪展開來,進一步反映了等離子體處理后PBO纖維潤濕性增強。
2.2 空氣等離子體處理對PBO纖維表面形貌影響
采用掃描電鏡(SEM)分析了空氣等離子體處理對PBO纖維表面宏觀形貌的影響,如圖1所示。
從圖1可以看出,未處理的PBO纖維表面光滑;處理后的PBO纖維表面凹凸不平,有刻痕和被剝離現(xiàn)象??諝獾入x子體處理PBO纖維表面發(fā)生了刻蝕作用,表面粗糙程度增加,這也印證了處理后的PBO纖維比表面積增加,有利于改善PBO纖維的潤濕性。
2.3 空氣等離子體處理對PBO纖維表面化學組成的影響
PBO纖維經(jīng)空氣低溫等離子體處理后的XPS全掃描圖見圖2。譜圖中電子結合能位于284.5 eV、400 eV、532 eV的譜峰分別是C、O、N元素的特征峰。
由圖2可以看出,PBO纖維表面主要含有碳、氧、氮這3種元素。處理前后,譜圖中C1s、O1s、N1s譜峰的峰高均發(fā)生了不同的變化,C1s譜峰的峰高明顯降低。應用Thermo Avantage軟件分析出經(jīng)空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維表面元素組成的變化,見表3。
將由表3可以看出,處理后PBO纖維O、N元素含量有所升高,C元素含量顯著降低。O/C比從0.27增加到了0.63,N/C也從0.06增加到了0.09。這可能是由于空氣等離子體中的活性粒子在PBO纖維表面發(fā)生了系列反應,生成含氧官能團、含氮官能團或接枝上了含氧基團,從而處理后PBO纖維表面極性增強,潤濕性得到了改善。
3 結論
利用空氣低溫等離子體處理PBO纖維,改善了PBO纖維的潤濕性能。經(jīng)低溫等離子體處理后的PBO纖維芯吸高度增加,接觸角減小,表面被刻蝕,粗糙程度增加,比表面積增大,加快了纖維的潤濕速度。PBO纖維表面元素組成和極性也發(fā)生改變,利于PBO纖維吸濕性的改善。通過低溫等離子體處理,為PBO纖維表面性能的改善提供了條件,也增加了PBO纖維粘附性,對拓寬其應用領域具有積極意義。
參考文獻
[1]陳平,陳輝.先進聚合物基復合材料界面及纖維表面改性[M].北京:科學出版社,2010.
[2]陳杰瑢.等離子體清潔技術在紡織印染中的應用[M].北京:中國紡織出版社,2005.
[3]Wu G M,Shyng Y T,Kung S F.Oxygen plasma processing and improved interfacial adhesion in PBO fiber reinforced epoxy composites[J].Vacuum,2009,83:271-274.
[4]Ren Y,Wang C X,Qiu Y P.Influence of amid fiber moisture regain during during atmospheric plasma treatment on aging of treatment effects on surface wettability and bonding strength to epoxy[J].Applied Surface Science,2007,253:9283-9289.
[5]Wu G M,Shyng Y T.Surface modification and interfacial adhesion of rigid rod PBO fibre by methanesulfonic acid treatment[J].Science Direct,2004,78:1291-1300.
[6]Liu D D,Hu J,Zhao Y M,et al.Surface modification of PBO fibers by argon plasma and argon plasma combined with coupling agents[J].Journal of Applied Polymer Sc- ience,2006,102:1428-1435.
[7]Mder Edith,Melcher Steffen,Liu Jianwen,et al.Adhesion of PBO fiber in epoxy composites[J].Journal of Donghua University,2007,24(2):173-176.
[8]孫晉良,呂偉元.纖維新材料[M].上海:上海大學出版社,2007.
[9]江雪梅.聚苯硫醚纖維的低溫等離子體表面改性研究[D].西安:西安工程大學,2008.
[10]喬詠梅,陳立新,吳大云,等.PBO纖維表面改性方法的研究[J].玻璃鋼/復合材料,2006(6):20-24.
[11]傅倩,王鳳德,劉小云,等. PBO纖維界面粘接性能的改善[J].宇航材料工藝,2008(1):15-18.