等離子體表面處理在有機(jī)高分子材料中的應(yīng)用研究

董懷斌

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體表面處理在有機(jī)高分子材料中的應(yīng)用研究

董懷斌

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體處理技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種表面處理領(lǐng)域，但在碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料表面處理方面研究卻很少。文中介紹了等離子體處理技術(shù)在高分子有機(jī)材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及處理后材料表面潤(rùn)濕性、表面形貌、化學(xué)成分和粘結(jié)性等方面的影響。研究分析等離子體處理技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料上的應(yīng)用前景。

等離子體；表面處理；有機(jī)高分子材料

等離子體技術(shù)自20世紀(jì)60年代至今已經(jīng)在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，尤其是近年來(lái)隨著新材料的不斷發(fā)展，對(duì)新材料表面進(jìn)行處理能夠改善材料的耐磨性、抗腐蝕性、潤(rùn)濕性以及黏結(jié)性等重要性能。因此，等離子體表面改性技術(shù)已經(jīng)成為新材料學(xué)的前沿領(lǐng)域研究[1～3]。

碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)良性能，越來(lái)越受到世人關(guān)注[4]。但復(fù)合材料界面層間性能容易損傷，等離子體的出現(xiàn)能很好的解決這種問(wèn)題。本文主要介紹等離子體技術(shù)在表面改性的應(yīng)用。

1　等離子體表面處理在有機(jī)材料中的應(yīng)用

1.1 表面接觸角及表面能的變化

物體表面接觸角越小，其潤(rùn)濕性越好[5]。潤(rùn)濕是黏附的必要條件，材料表面經(jīng)等離子體處理后，由于含氧基團(tuán)被大量的引入，使得表面潤(rùn)濕性得到明顯改善，因此有利于表面黏黏附性增強(qiáng)[6]。

通常情況下，高分子材料經(jīng)過(guò)Ar、O2、N2等氣體等離子體處理后，會(huì)在表面引入─COO.H、─C==O、─NH2等基團(tuán)[7]，增加表面親水性[8～10]。

劉楊[11]研究了放電功率和時(shí)間對(duì)等離子體處理木粉/聚乙烯復(fù)合材料效果的影響。陶巖[12]以溫度作為影響因素，對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行等離子體表面處理。馬小青[13]用利用氧氣和氬氣分別對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進(jìn)行處理。周荃[14]用不同氣體組分（氬氣和氧氣的混合氣體）對(duì)氟橡膠和聚酯（PET）表面處理。他們的研究表明：通過(guò)等離子體表面處理可提升材料表面潤(rùn)濕性，而影響表面接觸角的因素很多，如放電時(shí)間、功率、處理氣體、氣壓等[15]。

1.2 表面顯微分析

高分子材料經(jīng)過(guò)等離子體處理后，表面粗糙度有不同程度的增加，是由于等離子體對(duì)材料表面有刻蝕作用，進(jìn)而影響液體在表面的吸附作用，最終使表面潤(rùn)濕性改變。

陳玉茹[16]等人采用Ar、O2兩種氣體對(duì)航空氟硅硫化橡膠表面進(jìn)行低溫等離子體處理。李皓[17]對(duì) C3D/ PEEK（三維編織碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮）復(fù)合材料進(jìn)行低溫空氣等離子體處理，處理后得出復(fù)合材料表面出現(xiàn)了明顯的微裂紋。表面粗糙度與等離子體處理時(shí)間密切相關(guān)，處理時(shí)間的越長(zhǎng)，表面粗糙度越大。

倪新亮、王長(zhǎng)全[18～19]等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)等離子體處理后，材料表面的化學(xué)成分發(fā)生了很大的變化，總體上是C元素相對(duì)含量減少，O元素的相對(duì)含量增加，C/O相對(duì)含量之比下降；并且材料表面的官能團(tuán)也有變化，材料表面C==O鍵和0==C—O鍵含量百分比增加，C、O雙鍵結(jié)合的比例提高，等離子體中的能量轉(zhuǎn)化到表面的化學(xué)鍵上。表面引入了大量的含氧官能團(tuán)，表面極性增強(qiáng)，潤(rùn)濕性顯著提升。

1.3表面黏結(jié)性

對(duì)高分子有機(jī)物進(jìn)行表面改性處理，最終目的是能夠增強(qiáng)表面黏結(jié)強(qiáng)度，通過(guò)表面潤(rùn)濕性、粗糙度、表面成分分析等方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)而論證材料表面黏結(jié)強(qiáng)度的改變。

唐麗華[20]用等離子體對(duì)聚四氟乙烯，功率的提高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)有利于 PTFE 剝離強(qiáng)度的提高。處理功率為 600 W時(shí)提高了42.8倍。劉呈坤[21]用等離子體處理聚酯織物對(duì)其T型剝離強(qiáng)度的影響，其強(qiáng)度隨處理時(shí)間延長(zhǎng)明顯增強(qiáng)。劉楊將等離子體處理前后的木粉/聚乙烯復(fù)合材料用丙烯酸酯膠黏劑和環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑進(jìn)行黏接，隨著等離子體放電功率的增大，黏接強(qiáng)度逐漸增大。

2　等離子體表面處理在復(fù)合材料中的應(yīng)用展望

等離子體處理在高分子材料、復(fù)合材料中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，并取得了一定的發(fā)展。但是，從文獻(xiàn)中查找只能發(fā)現(xiàn)等離子體表面處理只是在復(fù)合材料界面有大量的研究，先用等離子體處理纖維，再將處理后的纖維與基體進(jìn)行固化，而對(duì)于固化后的復(fù)合材料樹(shù)脂表面，這方面研究卻很少有報(bào)道。

通過(guò)等離子體處理其他有機(jī)物、聚合物和復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)可以使材料表面潤(rùn)濕性、粗糙度、黏結(jié)強(qiáng)度等均發(fā)生較明顯改觀，可以猜想這些分析所得的規(guī)律對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料同樣適用，這就為提高樹(shù)脂基復(fù)合材料表面黏結(jié)性奠定了基礎(chǔ)。因此，等離子體可以使復(fù)合材料表面表面改性和黏結(jié)性提高，具有很大的發(fā)展、應(yīng)用前景。

[1] 趙化僑，等.離子體化學(xué)與工藝[M].合肥：中國(guó)科大出版社，1993.

[2] 呂川，張帥，高寧.義齒性口炎的病因研 [J].國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志ISTIC，2008，35(6):697～700.

[3] 王云英,孟江燕,丁祖群,等.航空先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料的修補(bǔ)[J].航空維修與工程，2008(2):32～33.

[4] 劉哲. 等離子體處理對(duì)PBO纖維、碳纖維表面性能及其復(fù)合材料界面性能的影響[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2014.

[5] 潘賢林. 常壓等離子體處理對(duì)PBO纖維表面性能影響研究[D].上海:東華大學(xué), 2010, 11～13.

[6] 許根慧，姜恩永，盛京，等. 等離子體技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7] 朱剛毅，朱文廓 . 真空等離子體處理技術(shù)在纖維及高分子材料表面處理中的應(yīng)用—2009廣東省真空學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 肇慶市騰勝真空工程有限公司，2009.

[8] 劉楊,等. 木粉/聚乙烯復(fù)合材料的等離子體表面處理——等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合材料表面特性的影響[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2010, 6:782～787.

[9] 潘紅.低溫等離子體對(duì)熱凝丙烯酸樹(shù)脂表面改性的研究[D].蘭州:蘭州大學(xué)，2014.

[10] 楊超,等. 等離子體表面技術(shù)和在有機(jī)材料改性應(yīng)用中的新進(jìn)展[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2001,17(6):30～34.

[11] 劉楊. 聚乙烯木塑復(fù)合材料的等離子體表面處理及其表面特性研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

[12] 陶巖. 等離子體表面處理木粉/聚乙嫌復(fù)合材料膠接接頭的耐久性研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2012.

[13] 馬小青,等. 氧氣與氬氣等離子體對(duì)樹(shù)脂基托表面改性的對(duì)比研究[J]. 口腔生物醫(yī)學(xué)，2014,5(3):140～142.

[14] 周荃. 常壓等離子體對(duì)高分子材料表面刻蝕的研究 [D]. 上海東華大學(xué)，2007.

[15] 孫潔. 常壓等離子體處理高分子材料誘導(dǎo)自由基及其引發(fā)表面改性反應(yīng)的研究[D]. 上海：東華大學(xué)，2011.

[16] 陳玉如，等. 低溫等離子體處理對(duì)航空氟硅橡膠表面性能的影響[J]. 材料工程，2015,43(2):73～78.

[17] 李皓. 編織纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及表面改性研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

[18] 王長(zhǎng)全. 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體對(duì)材料表面改性及其建模研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2006.

[19] 倪新亮，金凡亞，沈麗如，等. 等離子體處理碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2015,32(3):721～727.

[20] 唐麗華. 高分子材料低溫等離子體改性的研究[D]. 西北師范大學(xué)，2008.

[21] 劉呈坤,等. 等離子體處理對(duì)聚酯織物黏結(jié)性能的影響[J]. 橡膠工業(yè)，2006,53(12):737～739.

(P-02)

Application of plasma surface treatment in organic polymer materials

TB324 O539

1009-797X(2016)14-0060-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.019

董懷斌（1992-），男，研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

2016-06-08