采用介质阻挡放电低温等离子体技术改性对位芳纶表面

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对位芳纶是一种具有高结晶度和高取向度的链状高分子材料。由于它具有低密度,高强度,出色的热稳定性能,抗化学腐蚀和抗冲击性能,因而被作为增强材料广泛应用于航空航天和船舶制造等领域。由于其表面光滑且化学惰性,纤维表面和树脂基体的粘结性能非常有限,亲水性能很差,这也限制了其在复合材料领域的应用。因此,对位芳纶的表面改性成为了必须。本论文着重探究了介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面的改性。实验采用了氩气、氩气/氧气、氩气/氮气、氦气/氧气等多种气氛,探究了处理功率,处理时间,气氛流量对芳纶表面改性的影响。此外,还初步研究了介质阻挡放电等离子体技术的时间效应。论文第一章为综述部分,第二至第五章为实验主体部分。其中第一章主要综述了介质阻挡放电应用于芳纶表面改性研究的最新进展,介绍了介质阻挡放电的机理、特点以及国内主要的介质阻挡放电等离子体的设备。此外,论文还介质阻挡放电对芳纶表面性能的改善,诸如亲水性能和粘结性能。论文第二章主要研究了氩气等离子体介质阻挡放电处理对位芳纶表面对纤维表面粘结性能和亲水性能的影响,实验主要集中于探究三参量,包括处理功率,处理时间以及氩气的流量,从而得到最优工艺参数。实验表明:当处理工艺参数为300W,60s,2L·min-1时,芳纶表面的界面剪切强度(IFSS)提高了28%,取得最佳值。除此之外,经过氩等离子体处理后,芳纶表面的极性元素含量、极性官能团含量和表面粗糙程度都明显增加,从而纤维表面亲水性能和接触角都有所提高。但是,实验结果也表明过高的功率,过长的处理时间和过大的氩气流量都会过度破坏纤维表面从而削弱表面改性的效果。论文第三章主要探究了不同气氛介质阻挡等离子体放电对芳纶表面改性的探究。在Ar, Ar/O2,Ar/N2等不同气氛介质阻挡等离子体的处理下,探究芳纶表面所产生的不同作用效果机理,同时考察了O2和N:的流量对芳纶表面作用效果的影响。采用了微脱胶法、接触角测试、X射线光电子能谱(XPS)以及原子力显微镜(AFM)分别对处理后的芳纶纤维表面黏结性能、亲水性能、表面元素和官能团的变化以及表而粗糙程度的变化进行了比较。结果表明:对纤维表面的改性是由刻蚀作用还是活性基团占主导,和放电气体的种类密切相关,而通入气体的含量也会影响表面改性的处理效果。论文第四章初步研究了介质阻挡放电等离子体技术的时间效应,芳纶经过纯Ar, Ar/O2,Ar/N2处理后,随着放置时间的延长,芳纶表面的粘结性能,亲水性能均会有所下降,而且在纯Ar处理后表面性能下降最为明显。芳纶表面的极性元素和极性官能团含量放置4周后,会有所减少,但是无论Ar, Ar/O2,Ar/N2等离子体处理后,随着时间的延长具有趋同性。比较纯Ar, Ar/O2,Ar/N2三种气氛对芳纶表面改性时间效应的影响,在纯Ar中加入第二种气体,无论是02或者是N2,均会对抵抗时间效应有一定的帮助,而当第二气氛为N2时,效果更加明显。论文第五章探究了氦气/氧气对对位芳纶表面改性,相比于氩气,氦气热系数大,在同样的电流和电压下,氦气产生的温度高,发热大而且集中,因此在介质阻挡改性过程中会产生更加好的效果。在本章中探究了处理功率,处理时间和氦气/氧气流量对芳纶表面性能均有比较明显的影响,经过等离子体处理,芳纶和树脂体系的界面剪切强度增加,芳纶的亲水性能增加,而且经过氦气/氧气等离子体处理后,相比于氩气体系,芳纶表面产生了更多的沟壑。实验结果表明,芳纶经过等离子体处理后,最佳实验条件为处理功率300W,处理时间90s,氦气/氧气流量为3/0.03L·mmin-1。
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