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芳綸纖維具有模量大、強度高、耐化學腐蝕、熱穩定性好、比強度高（約為鋼絲的6-7倍）、密度小（僅為鋼絲的1/5）等諸多優點，是高性能復合材料的最佳增強材料之一。它的應用范圍遍及軍用和民用領域，包括航空航天、國防軍事、輪胎骨架、建筑防火材料以及體育用品等。但是，芳綸纖維具有獨特的分子結構，導致其粘性比較差，非常難與其他材料進行復合應用。而解決這一問題的最直接、最經濟、最有效的方法是對其表面進行改性。低溫等離子體改性技術兼具物理和化學改性的雙重特點，作用效果比較好。除此之外，這種技術還兼具節約能源、綠色無污染、能耗低、工藝簡便等諸多優點，在眾多改性方法中具有顯著優勢

芳綸纖維等離子體表面處理改性原理

等離子體之所以可以用于芳綸纖維材料的表面改性主要是因為等離子體中含有大量的活性粒子。這些活性粒子主要包括電子、離子、亞穩態粒子（激發態分子和原子、游離的自由基）以及紫外光子等。等離子體中的活性粒子通過撞擊、輻射等方式作用在材料表面，引起材料表面的物理特性和化學特性變化。

等離子體中活性粒子的形成過程如圖1-1所示，空間中的自由電子在電極之間的強電場區域中獲得大量能量，轉化為高能電子，高能電子在定向運動過程中，會撞擊到放電空間中的其他粒子，這其中就包括氣體分子以及材料表面的大分子物質。氣體分子在被撞擊過程中，有的就會躍遷到激發態，轉化為激發態分子或原子，獲得更高的活性，參與材料表面的化學反應。材料表面的大分子物質，因為高能電子的猛烈轟擊，分子間連接的化學鍵或者共價鍵斷裂，形成游離的自由基。

圖1-1 等離子體中活性粒子形成過程

低溫等離子體中的高活性粒子對芳綸纖維材料進行改性時，主要有以下幾方面效果：

（1）刻蝕作用

在等離子體改性過程中，被處理材料放置在等離子體環境中的，與等離子體直接接觸。等離子體中的活性粒子會高速撞擊到材料的表面，并造成刻蝕作用，使材料表面變得凹凸不平，增加材料表面的粗糙度，進而改性材料的諸多表面性能，比如親水性、潤濕性、染色性，抗靜電性等。等離子體刻蝕引起的芳綸纖維表面形貌變化如圖2-1所示。

圖2.2 等離子刻蝕作用后的芳綸纖維表面形貌

等離子體可以在材料的表面形成刻蝕，主要是由于兩方面的原因：一方面，高分子材料是多聚體有機化合物，由很多單體聚合而成，高能粒子在轟擊材料表面的過程中，會打斷單體之間連接的化學鍵，導致單體脫落，形成自由基，單體脫落后形成了許多凹陷。另一方面，高分子材料的表面會因為其固有的疏松無序性而出現強度不均勻，在等離子體中處理過程中，強度較弱的部分會在高能粒子的撞擊下形成凹坑。

（2）聚合作用和官能團引入

低溫等離子體中的活性粒子的能量范圍和高分子材料中常見的化學鍵能如表2-1和表2-2所示。可以看到，常見的有機高分子材料鍵能多為幾個電子伏特，而在等離子體中，諸如電子、光子、離子這些活性粒子的能量均已超過其結合能的大小。等離子體中的這些高能粒子會作用在材料表面后，可以將材料表面的C-C、C-H、C=O等化學鍵打斷，為接枝其他官能團、單體做好準備。而且，由于高能粒子的轟擊，會形成許多有力的自由基，這些自由基也會參與到下一步的反應中。

1）等離子體將材料表面的低能級化學鍵打斷后，可以在材料表面引入各種極性基團，改變其表面的化學組成，從而改善材料表面的性能。如前文所述，因為等離子體生成環境的不同，會形成不同的激發態物質。在等離子體處理過程中，這些激發態的分子/原子會被引入到材料表面，改變材料的表面性能。以O2等離子體為例，氧氣分子在等離子體作用下可以轉化為激發態，激發態的氧會與材料表面的大分子物質發生氧化反應。經過反應，在材料表面會引入大量含氧基團，比如-COOH、C-O、-OH等，這些基團可以有效地改變材料的表面親水性、粘結性。

2）除了引入新的官能團以外，游離的自由基之間也會重新鍵合。環境中的自由基鍵合后會沉積到材料表面，在被處理材料的表面形成致密的交聯結構，這些結構在一定程度上可以改善材料的力學性能，并且增加了比表面積，有助于改善表面特性。

低溫等離子體表面處理改性技術屬于干式工藝，沒有化學改性中不可或缺的烘干、廢水處理等工序，具有工藝簡單、節約能源、綠色無污染等優點。其次，由于有各種高能粒子的作用，等離子體改性可以在室溫條件下實現在常規條件下不能發生的反應。更重要的是，等離子體改性芳綸纖維僅僅涉及其淺表面，作用深度在納米級別，一般不會影響芳綸纖維本身的力學性能。