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連續碳纖維增強PA66復合材料憑借其高比強度、耐化學(xué)腐蝕性及可回收特性,在汽車(chē)輕量化、航空等領(lǐng)域展現出廣闊應用前景。然而,碳纖維與PA66樹(shù)脂基體間存在顯著(zhù)的界面結合缺陷,主要源于碳纖維表面化學(xué)惰性與PA66極性基團不相容,這嚴重影響了復合材料的力學(xué)性能。傳統界面改性技術(shù)(如液相氧化、偶聯(lián)劑改性)雖然能夠提升界面結合強度,但工藝過(guò)程時(shí)間長(cháng)。相較而言,等離子體表面處理技術(shù)因操作簡(jiǎn)單,綠色無(wú)污染和較低成本等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)逐步成為纖維在線(xiàn)表面處理的技術(shù)選擇。

在線(xiàn)等離子體表面處理裝置主要是通過(guò)空壓機產(chǎn)生空氣,隨后通過(guò)氣壓閥對氣體壓力進(jìn)行控制后進(jìn)入到等離子體發(fā)生器,由發(fā)生器對氣體電離之后通過(guò)旋轉噴射儀噴射等離子體,對纖維表面進(jìn)行濕潤性能改善和表面刻蝕增加粗糙度。在線(xiàn)等離子體處理裝置圖如圖1-1所示:

圖1-1 等離子體在線(xiàn)處理碳纖維

在等離子體表面處理工藝實(shí)施過(guò)程中,纖維增強體表面主要承受以下雙重作用機制的影響:一方面是纖維表面刻蝕改性,增加纖維表面粗糙度。纖維的比表面積增大,在一定程度上增加樹(shù)脂與纖維的接觸面積并形成互鎖結構,增加界面結合力。另一方面,不同氣體等離子體處理會(huì )對纖維表面元素具有活化作用。

在線(xiàn)等離子體處理CF界面化學(xué)結構的機制研究

使用X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)表征等離子體處理前后CF表面元素含量變化,如表1-1所示:

表1-1 等離子體處理前后碳纖維表面元素含量的變化

從表1-1可以看出,經(jīng)過(guò)等離子體處理的纖維C元素含量下降了2.07%,O元素含量上升了2.12%,N元素含量基本不變。其中O/C元素比增加了12%。這表明經(jīng)過(guò)等離子體處理的碳纖維表面含氧元素增多,含氧官能團增多,纖維表面活性得到激活。

通過(guò)對處理前后的纖維C1s軌道分峰光譜圖的峰面積來(lái)確定不同含碳官能團的占比,如圖2-1所示:

圖2-1 等離子體處理前后CF表面C1 s分峰擬合圖 

等離子體處理過(guò)的碳纖維表面含碳官能團中,C-C鍵比例下降,含O官能團比例上升。其中,C-O含量的提高可有效改善纖維表面浸潤性,促進(jìn)樹(shù)脂基體對纖維的浸潤;同時(shí),C=O官能團含量的增加,可與PA66等基體形成強界面相互作用?？諝獾入x子體處理CF在化學(xué)結構方面主要是通過(guò)引入更多含氧官能團與樹(shù)脂基體極性基團形成共價(jià)鍵增強化學(xué)鍵合效果。

等離子體處理前后CF表面O1 s分峰擬合圖如圖3-1所示: 

圖3-1 等離子體處理前后CF表面O1 s分峰擬合圖

經(jīng)過(guò)表面處理后的C=O比例下降,C-O比例提高,這是因為通過(guò)等離子體處理樣品表面C-O鍵相關(guān)的官能團含量增加,處理過(guò)程促進(jìn)了氧化反應、引入更多含C-O結構(如羥基、醚鍵等),改變了纖維表面化學(xué)活性,使纖維表面含氧官能團比例上升。

等離子體表面處理技術(shù)作為一種環(huán)境友好型干式工藝,基于非平衡等離子體活化原理,不依賴(lài)大量水和化學(xué)溶劑,因此具備環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便和低成本的特點(diǎn)。此技術(shù)能夠廣泛應用于碳纖維材料表面改性,對處理對象沒(méi)有特定限制,展現了極強的通用性。