材研讀書報告

本文格式為Word版，下載可任意編輯——材研讀書報告聚合物纖維表面改性的研究

趙恒禎1254256

摘要復(fù)合材料界面是基體與加強體之間能引起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面區(qū)域雖然很小，但卻能產(chǎn)生傳遞、阻斷、誘導(dǎo)等效應(yīng)，這些效應(yīng)是單一材料所沒有的特性，因而在任何復(fù)合材料中界面改性都是極為重要的。本文將重點探討在不同條件處理下的PET纖維、PBO纖維和Kevla纖維與基體的行為，并研究聚合物纖維的性能與其表面的關(guān)系。

關(guān)鍵詞聚合物纖維，表面改性，等離子處理，層間剪切強度

AbstractTheinterfaceofacompositematerialisatinyregionbetweenmatrixandfibers.Despiteitstinysize,itcantransfer,blockupandinduceloads.Theseuniqueeffectsarenotshowninasinglematerial,sothemodificationoftheinterfaceinacompositematerialisgreatlyimportant.ThisarticlewillfocusonthechangesforPETfibers,PBOfibersandKevlafibersaftermodification,andstudiestherelationbetweenpolymerfibersandtheirsurface.

Keywordspolymerfibers,surfacemodification,plasmatreatment,interfacialshearstrengths

界面能產(chǎn)生的特別效應(yīng)，這是任何一種單體材料所沒有的特性，他對復(fù)合材料有重要作用，由于界面的存在使得基體和加強體產(chǎn)生1+1>2的作用。因而在所有復(fù)合材料中，界面和改善界面性能的表面處理方法是關(guān)于這種復(fù)合材料能否有使用價值、能否推廣使用的重要的問題。而尋常狀況下，纖維表面光滑，在基體中的浸潤性較差，不能與基體形成穩(wěn)定的界面，從而使得復(fù)合材料的強度和剛度降低，影響其使用性能。作為一名復(fù)合材料方向的學(xué)生，我們所學(xué)習(xí)和研究的重點就是界面行為。本文將以聚合物纖維為主要研究對象，探討不同表面處理工藝對纖維表面的影響。

由于大多聚合物纖維不含活性基團、結(jié)晶度高、表面能低、化學(xué)惰性、表面污染及存在弱邊界層等原因，使之存在難以潤濕和粘合等問題，因此必需對聚合物纖維進行處理，以提高其表面能，改善其潤濕性和粘合性。聚合物纖維的表面改性方法有物理改性和化學(xué)改性，按改性過程體系的存在形態(tài)又可分為干式改性：等離子體處理、火焰處理、蒸鍍、噴鍍等；濕式改性：離子注入、表面粗化、化學(xué)品處理等。改性的目的主要是使纖維表面產(chǎn)生官能團、產(chǎn)生溝壑、表面能下降，以提高粘結(jié)強度使基體和纖維更好的結(jié)合。

1.PET纖維表面改性實例

本試驗是JuanP.Ferna′ndez-Bla′zquez,SandroSetzer,Ara′nzazudelCampo等人對PET纖維表面進行的改性研究[1]。試驗材料為直徑200μm的PET纖維和環(huán)氧樹脂基體，處理

1

方式為等離子體處理。圖1為等離子處理電極，處理時將纖維插入電極孔中，電極通過放電產(chǎn)生等離子體，并不斷刻蝕纖維表面。

纖維與基體的結(jié)合強度用IFFS：（界面剪切強度）來表示，其計算方法IFFS=F/πDfL（F為脫結(jié)合力，Df為纖維直徑，L為纖維長度）。層間剪切強度越大說明纖維與基體界面的結(jié)合性越好。具體的測試方法為微滴包埋拉出試驗，該方法可以簡述為通過測量拔出基體微滴的力來測量IFFS。圖2為拉出試驗的試樣。圖

圖1

2b所示微滴為未進行表面處理的對照組，可以看出其擁有較弱的界面，基體與纖維之間發(fā)

圖2

生脫結(jié)合，而圖2c微滴為等離子體處理10min后的試樣，可以看出基體微滴被拉斷，說明界面較強以至于基體先被拉斷，界面才發(fā)生破壞。

圖3為所施加的拉伸載荷與等離子體處理時間的關(guān)系，可以看出隨著處理時間的加強，纖維所能承受的拉伸載荷不斷上升，到10min時達到最大值，隨后保持穩(wěn)定。

為了探究其界面加強原因，研究人員用SEM對纖維進行了拍攝。圖4是在不同等離子體處理時間后PET纖維的SEM圖像。從圖中可以看出，前3min纖維表面并沒有明顯的變化，因此IFFS沒有較大變化。之后，隨著處理時間的加強，纖維表面出現(xiàn)了越來越深的溝壑。

圖3

溝壑的出現(xiàn)加強了纖維和基體表面的接

2

觸面積和機械絞和作用，使得界面加強。而當(dāng)時間超過10min后纖維表面受破壞嚴(yán)重，纖維開始被撕裂，因此纖維界面反而受到破壞，所能承受載荷開始出現(xiàn)下降。

為了探究其他因素對纖維表面的影響，研究人員還對纖維拍攝了紅外光譜，并沒有

圖4

發(fā)現(xiàn)新的官能團，說明等離子處理并沒有使纖維和基體之間產(chǎn)生新的化學(xué)反應(yīng)。此外，通過

對微滴接觸角的測量還可以得到圖5，該圖像說明，等離子處理2~3min后，纖維表面能顯著下降，因此纖維能夠更好的浸潤到樹脂基體中。

試驗結(jié)果說明，氧化等離子處理可以提高PET纖維從環(huán)氧樹脂中拉出的層

間剪切強度。粘附性的提高主要歸功于

圖5

纖維表面形成的長400nm，寬100nm，深300nm的片晶溝壑的出現(xiàn)以及纖維表面能的下降。在最正確處理時間（10min）時使PET纖維加強樹脂的層間剪切強度提高了一倍。

2.其他表面改性方法舉例

（1）硅烷偶聯(lián)劑處理Kevlar纖維

圖6是戚東濤，呂霖，李厚補，艾濤等人對Kev|ar纖維表面處理前后的IR圖譜[2]。從中可以分析出，由于在化學(xué)接枝處理Kevlar纖維表面時，纖維表面酰胺基團上的N—H鍵上的H被接枝劑所取代，所以紅外譜圖上表現(xiàn)出3319cm處的N—H振動吸收峰明顯減弱和1062cm處吸收

圖6

3

峰的消失J。酰胺基團N上連接新的基團，使1450cm處的C—N伸縮振動吸收加強。對于表面接枝硅烷的Kevlar纖維，在725cm處出現(xiàn)新的振動吸收峰，這正是硅烷上si—OH鍵的振動吸收峰的位置。（2）紫外線處理

圖7是IFFS對紫外線照射時間所做的圖像[3]。由于未處理的Kevlar纖維表面比較光滑，纖維的比表面積小，與樹脂基體的相互作用較弱；當(dāng)Uv處理時間為8min時，其臨界纖維強度最短，說明界面能有效地

圖7

傳遞應(yīng)力，其界面剪切強度亦最高，主要是由于Kevlar纖維受紫外光刻蝕，表面粗糙度變大，纖維與基體之間的機械互鎖作用越強，界面結(jié)合越好，此時其表面活性達到最高；而隨著處理時間的增加，紫外光刻蝕纖維越嚴(yán)重，使得其表面活性下降，反而不利于提高與樹脂基體的界面粘結(jié)性[4]。其變化規(guī)律與等離子體改性相像。（3）浸漬處理

圖8是用涂層浸漬BPO纖維前后的對比圖[5]。復(fù)合材料破壞面上纖維表面黏附的樹脂較少，一些微纖被從纖維本體上“剝〞下來，而且有一些袒露纖維，說明PBO原纖維與樹脂基體的粘結(jié)性較差。從圖b可知，復(fù)合材料破壞時纖維表面上有大量樹脂

圖8

基體粘附，纖維比較完整，沒有明顯

的纖維劈裂現(xiàn)象，說明經(jīng)兩次浸漬處理后抑制了PBO纖維的微纖化現(xiàn)象，使纖維與基體的界面粘結(jié)性能得到提高。因此PBO纖維經(jīng)表面涂層處理后，所制備的復(fù)合材料層間剪切強度得到提高，有利于PBO纖維的高強特性的充分發(fā)揮。3.總結(jié)

通過對幾種不同表面、處理手段的聚合物纖維表面改性研究，我們可以總結(jié)出纖維表面改性的一般方法：1.首先運用所學(xué)知識，根據(jù)該纖維的特性選擇適合的處理手段2.確定一種

4

改性手段后注意控制變量（處理時間、處理強度、涂層厚度等）來研究不同條件下界面的具體狀況3.根據(jù)界面的改善狀況來研究界面改性的微觀機理4.綜合運用各種儀器分析手段來驗證改性機理（用IR來確定在界面是否產(chǎn)生新官能團、用SEM來觀測表面形