等離子體射流載氣流量大小對(duì)玻璃纖維改性效果影響的研究

張 林，夏章川，何亞東，2，信春玲，2，王瑞雪，3，任 峰*

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.教育部高分子材料加工裝備工程研究中心，北京 100029；3.生物醫(yī)用材料北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 前言

PP作為一種通用聚合物，在工業(yè)上受到廣泛青睞，它具有密度低、性能優(yōu)異、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，由于PP的強(qiáng)度低并且容易老化，其應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制。GFRP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純PP，并且尺寸穩(wěn)定性及表面硬度都得到了提高。眾所周知，除了增強(qiáng)體和基體本身性能參數(shù)外，GFRP復(fù)合材料的性能主要由GF與PP界面黏結(jié)效果決定[2]。但由于GF表面光滑、呈化學(xué)惰性，纖維與樹脂間的界面結(jié)合強(qiáng)度通常不如人意[3]。因此，對(duì)GF進(jìn)行表面改性是非常必要的。目前，改性纖維的主要方法是使用偶聯(lián)劑、納米顆粒懸浮液處理纖維，增大纖維的表面粗糙度，同時(shí)在纖維表面接枝聚合物或極性官能團(tuán)改善纖維的化學(xué)惰性[4-5]。傳統(tǒng)纖維改性方法雖然可以在一定程度上改善GFRP復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，但是存在工藝復(fù)雜、成本較高、裝置體積大、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染等問題。

在眾多改性方法中，等離子體處理由于具有操作簡(jiǎn)便、成本低、效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)脫穎而出[6]。等離子體處理利用高壓放電將氣體電離成電子、離子等高能粒子，同時(shí)使前驅(qū)體的化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生的分子碎片沉積在基底上以提高基底的反應(yīng)活性[7]。等離子體處理可以分為直接處理和沉積物質(zhì)2種[8-9]。等離子體直接處理纖維的方法已得到研究人員的廣泛研究。Zhang等[10]使用空氣等離子體直接處理GF，由于對(duì)纖維產(chǎn)生氧化和刻蝕作用，GF與層壓?jiǎn)伟迥静闹g的結(jié)合力相比對(duì)照組提高了66.2%。Radjef等[11]使用空氣等離子體處理碳纖維，最終碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度相比對(duì)照組提高了294%。目前，直接使用等離子體處理纖維雖然能在一定程度上改善復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，但由于僅在纖維表面引入了極性基團(tuán)，并沒有生成穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)，所以處理的時(shí)效性較短，穩(wěn)定性難以保障[12]。與直接等離子體處理相比，等離子體沉積SiOx納米顆粒具有更加穩(wěn)定的改性效果，而且SiOx納米顆粒與GF之間具有良好的相容性[13-14]。等離子體沉積SiOx納米顆粒被廣泛應(yīng)用于金屬表面改性[15]，但很少有研究人員使用大氣壓等離子體射流沉積SiOx納米顆粒的方法改性GF。

本文自主設(shè)計(jì)搭建大氣壓等離子體射流裝置，通過對(duì)GF產(chǎn)生刻蝕作用并沉積SiOx納米顆粒改善GFRP復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。使用控制變量法研究載氣流量大小對(duì)GF改性效果的影響，將處理距離固定為17 mm、處理時(shí)間固定為12 s，通過調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)改變載氣流量的大小，使用掃描電子顯微鏡（SEM）表征改性前后纖維的表面形貌，用X射線光電子能譜儀（XPS）表征纖維的化學(xué)組成，用接觸角、表面能表征纖維的潤濕性能，測(cè)量復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度表征GFRP復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

GF布，EWR400E-100，中國巨石股份有限公司；

PP，M02，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率3.0 g/10 min，中石化揚(yáng)子石化有限公司；

馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH），MD 353D，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率120 g/10 min，美國杜邦公司；

正硅酸乙酯（TEOS），SILIKATE 40 WN，密度1.07 g/cm3，Wacker公司；

氬氣（Ar），純度99.999%，北京順安奇特氣體有限公司；

二碘甲烷，D104755，阿拉丁試劑（化學(xué)）有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

單螺桿擠出機(jī)，HAAKE POLYLAB 19/25，美國賽默飛世爾公司；

雙螺桿擠出機(jī)，ZSK25-WLE，德國WP公司；

模壓機(jī)，BP-8170-B-100T，中國寶品精密儀器有限公司；

玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，LZB-3WB/LZB-4WB，中國祥錦流量?jī)x表廠；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，UTM5205XHD，中國三思縱橫有限公司；

SEM，S4800，日本日立公司；

原子力顯微鏡（AFM），超快掃描DI原子力顯微鏡，德國布魯克公司；

XPS，ESCALAB 250，美國賽默飛世爾公司；

光學(xué)法接觸角儀，SL200KB，中國梭倫信息科技有限公司；

大氣壓等離子體射流（APPJ）裝置，自主設(shè)計(jì)搭建，如圖1所示。該裝置由高壓電源、示波器、移動(dòng)平臺(tái)、等離子體射流管、氬氣瓶、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、軟管、水浴鍋、洗氣瓶組成。等離子體射流管由空心的石英玻璃管和不銹鋼管組成。該裝置采用經(jīng)典的針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)形式。石英玻璃管外壁上設(shè)有環(huán)狀地電極，不銹鋼管上設(shè)有環(huán)狀高壓電極。將示波器連接到2個(gè)電極上，使用高壓探頭和電流線圈測(cè)量放電電壓和電流。測(cè)得高壓電源輸出電壓為4 kV，電流為60 mA，功率為26 W，頻率為95 kHz。氬氣（99.999%）分為2股，一股氬氣作為工作氣體，固定流量為3 L/min。另一股氣體作為載氣（20～80 mL/min），通過盛有正硅酸乙酯的70℃恒溫洗氣瓶，再和工作氣體一同進(jìn)入等離子體射流管中。移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向如圖所示，呈“弓”字形，確保等離子體射流處理面積覆蓋整塊GF布，通過調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于等離子體射流管的移動(dòng)速度（V），控制等離子體處理纖維布的時(shí)間。

1.3 樣品制備

PP薄膜制備：按質(zhì)量比為9∶1將PP與PP-g-MAH機(jī)械共混后通過雙螺桿擠出機(jī)制成顆粒，再用單螺桿擠出機(jī)將顆粒制成厚度為0.3 mm的薄膜，用于測(cè)量GF的潤濕性能以及制備PP薄膜。

GF表面處理：（1）如圖1所示，通過調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的高度將處理距離固定為17 mm（等離子體射流火焰的長度），調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度控制處理時(shí)間為12 s，固定工作氣體流量為3 L/min，調(diào)節(jié)流量計(jì)控制載氣流量分別為20、40、60、80 mL/min。（2）打開交流電源，激勵(lì)大氣壓等離子體射流產(chǎn)生等離子體羽。TEOS蒸汽混入氬氣中，一同進(jìn)入等離子體射流放電區(qū)，在高壓電流的放電作用下，TEOS（C8H20O4Si）的Si—O—C化學(xué)鍵斷裂，TEOS電離后的片段隨著等離子體射流火焰?zhèn)鬟f至GF表面，被空氣氧化后形成Si—OH，與GF本身含有的Si—OH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)生成Si—O（SiOx納米顆粒），從而在GF表面沉積SiOx納米顆粒。

GFRP復(fù)合材料制備：如圖2所示，取4片經(jīng)等離子體射流處理的GF布與5片PP薄膜交替放入模具中，在205℃、1 MPa的條件下經(jīng)模壓機(jī)壓制20 min，制備GFRP復(fù)合材料。

圖2 GFRP復(fù)合材料制備過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of GFRP composite preparation process

黏結(jié)性能測(cè)試樣品制備：將處理距離（D）、工作氣體流量、載氣流量（G）分別固定為17 mm、3 L/min和40 mL/min，調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速控制處理時(shí)間為120 s，從處理后的GF布中取出2束GF束，一束纖維束靜置備用，將另一束纖維束在水中浸泡漂洗20 min，烘干后備用。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

GF及GFRP復(fù)合材料微觀形貌表征：（1）SEM分別設(shè)置放大5 000倍和100 000倍觀察單根GF纖維，使用ImageJ軟件測(cè)量纖維表面SiOx納米顆粒的直徑和間距，再用Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；（2）將GFRP復(fù)合材料在液氮中冷凍，然后沿纖維軸向方向撕裂，用SEM觀察界面處GF與PP間的結(jié)合情況。

GF元素分析：使用單色Al Kalph 150 W作為射線源，200 eV用于分析，30 eV用于高分辨率掃描。使用Avantage軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所有結(jié)合能都是以C1s峰為284.8 eV為參考。GF的含C官能團(tuán)和含Si官能團(tuán)的結(jié)合能如表1所示。

表1 官能團(tuán)結(jié)合能對(duì)照表Tab.1 Comparison table of binding energy of functional groups

潤濕性能分析：取出纖維布中的一束纖維，將其兩端固定在溫度為290℃的載物臺(tái)上，放置一片尺寸為2 mm×2 mm的PP薄膜于GF束的中間部位，待PP薄膜完全熔化成一個(gè)液滴。取此時(shí)光學(xué)法接觸角儀的測(cè)量結(jié)果為GF束與PP的接觸角。每組GF束至少測(cè)量5次，取平均值。使用光學(xué)法接觸角儀測(cè)量GF束與水和二碘甲烷的接觸角。水、二碘甲烷的溶劑參數(shù)如表2所示。將針管內(nèi)的一滴水或二碘甲烷滴在GF束的中間部位，取此時(shí)接觸角儀的測(cè)量結(jié)果為測(cè)量值。每組GF束至少測(cè)量5次，取平均值。將GF束與水和二碘甲烷的接觸角代入Owens-Wendt公式（1）、（2）中，得到GF束的表面能、極性分量、色散分量。

表2 溶劑參數(shù)Tab.2 Solvent parameters

式中γL——測(cè)試液體的表面張力，mN/m

θ——GF束與溶液的接觸角，（°）

γS——GF的表面能，（°）

層間剪切強(qiáng)度測(cè)試：將復(fù)合材料板材裁剪成8 mm×24 mm×4 mm尺寸的樣條，根據(jù)ASTM D2344標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量樣條的層間剪切強(qiáng)度。使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣條進(jìn)行短粱剪切試驗(yàn)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求跨度厚度比為4，長度厚度比為6，寬度厚度比為2。負(fù)載頭的直徑必須為6 mm，支撐頭的直徑為3 mm，同時(shí)要求十字頭的移動(dòng)速率為1 mm/min。樣條被加載直到發(fā)生斷裂，斷裂載荷用于表征復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（Fsbs）計(jì)算依據(jù)式（3），對(duì)于每一組樣品，至少測(cè)試5個(gè)樣條，取平均值。

式中Pm——試驗(yàn)過程中觀察到的最大載荷，N

b——測(cè)量的試樣寬度，mm

h——測(cè)量的試樣厚度，mm

2 結(jié)果與討論

2.1 載氣流量對(duì)GF表面形貌的影響

由3圖可知，載氣流量的大小對(duì)GF表面形貌的影響很大。由圖3（a）可見，未經(jīng)等離子體處理的對(duì)照組GF的表面很光滑。當(dāng)載氣流量為20 mL/min時(shí)[圖3（b）]，GF表面有少量SiOx納米顆粒，這是因?yàn)橐氲入x子體射流管的TEOS最少。由圖3（d）～（i）可見，隨著載氣流量增大，引入等離子體放電區(qū)的TEOS更多，因此纖維表面沉積的SiOx納米顆粒更多。同時(shí)當(dāng)載氣流量超過40 mL/min時(shí)，SiOx納米顆粒由于團(tuán)聚尺寸逐漸增大[圖3（f）、（i）]。

圖3 不同載氣流量時(shí)單根GF的SEM圖像Fig.3 SEM images of glass fiber surface topography under different carrier gas flow

為了定量地分析不同載氣流量條件下SiOx納米顆粒的直徑，進(jìn)一步使用ImageJ軟件測(cè)量了圖3中GF表面沉積的納米顆粒的粒徑，結(jié)果如圖4所示。隨著載氣流量增大，SiOx納米顆粒的直徑先減小后增大。如圖4（a）所示，當(dāng)載氣流量為20 mL/min時(shí)，顆粒的直徑為（23.3±3.1）nm。隨著載氣流量增大至40 mL/min，顆粒的直徑減小為（18.4±5.9）nm[圖4（b）]。當(dāng)載氣流量為80 mL/min時(shí)，顆粒直徑增加至（56.7±6.3）nm[圖4（c）]。因?yàn)镾iOx納米顆粒的沉積是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括前驅(qū)體在等離子體電離區(qū)的分解、成核和顆粒在基底表面的生長。當(dāng)載氣流量從20 mL/min提高至40 mL/min時(shí)，纖維表面的SiOx納米顆粒的量更多，但不足以團(tuán)聚，而是在纖維表面分布的區(qū)域更廣，分布得更均勻；當(dāng)載氣流量過大時(shí)（超過40 mL/min），在等離子體電離區(qū)的過量的TEOS片段更可能團(tuán)聚，因此在纖維表面的SiOx納米顆粒的尺寸更大。

圖4 不同載氣流量時(shí)SiOx納米顆粒的尺寸分布直方圖Fig.4 Histogram of the size distribution of SiOx nanoparticles under different carrier gas flow rate

從圖5可知，隨著載氣流量從20 mL/min提高至40 mL/min，SiOx納米顆粒間距從（299.3±156.3）nm減小至（52.9±25.7）nm。這表明隨著載氣流量增大，SiOx納米顆粒在GF表面的分布得更加均勻。結(jié)合圖3（d）、（e）可知，當(dāng)載氣流量進(jìn)一步增大至 60、80 mL/min時(shí)，SiOx納米顆粒由于發(fā)生團(tuán)聚，在GF表面的分布均勻性下降。因此，載氣流量為40 mL/min時(shí)，SiOx納米顆粒的分布最均勻。

圖5 不同載氣流量時(shí)SiOx納米顆粒間距分布直方圖Fig.5 Histogram of the spacing distribution of SiOx nanoparticles under different carrier gas flow rate

SiOx納米顆粒的分布范圍越廣、分布越均勻、尺寸越小，纖維的改性效果就越好。因此，根據(jù)以上對(duì)GF表面沉積的納米顆粒粒徑、間距的統(tǒng)計(jì)和分析可知，當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，GF的表面形貌最好。

2.2 載氣流量對(duì)GF化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

為了分析不同載氣流量條件下處理的GF的表面化學(xué)成分變化，對(duì)GF進(jìn)行了XPS分析。各組GF的元素含量如表3所示。可以看出，經(jīng)過等離子體處理后，GF的C含量降低、O含量增大、O/C增大，纖維的化學(xué)惰性得到改善。當(dāng)載氣流量為80 mL/min時(shí)，與對(duì)照組相比，GF的O含量提高了8.27%，C含量降低了2.63%，O/C提高了11.19%。同時(shí)，隨著載氣流量從20 mL/min增大至80 mL/min，C含量持續(xù)降低，O含量持續(xù)增大，O/C持續(xù)增大。這是因?yàn)楦嗟腟iOx納米顆粒沉積在纖維表面，GF表面的極性含氧官能團(tuán)的數(shù)量增多。

表3 各組GF的元素組成Tab.3 Elemental composition of different groups of glass fibers

不同組別GF的C 1s和Si 2p分峰結(jié)果如圖6、7所示。與對(duì)照組[圖6（a）]相比，經(jīng)過等離子體處理后[圖6（b）～（d）]，纖維表面新增加了一個(gè)O—C=O峰，且C—O的含量增大，表明纖維表面的極性基團(tuán)更多，纖維的化學(xué)活性增強(qiáng)。同時(shí)，隨著載氣流量從20 mL/min提高至80 mL/min[圖6（b）、（d）]，O—C=O的含量從0.94%增加至6.64%，表明極性高的官能團(tuán)更多。

圖6 對(duì)照組和不同載氣流量條件下GF的C 1s分峰擬合結(jié)果Fig.6 Fitting results of C 1s peaks of control group and plasma-treated GF with different carrier gas flow rate

圖7 對(duì)照組和不同載氣流量條件下GF的Si 2p分峰擬合結(jié)果Fig.7 Fitting results of Si 2p peaks of control group and plasma-treated GF with different carrier gas flow rate

與對(duì)照組[圖7（a）]相比，經(jīng)過等離子體處理后[圖7（b）～（d）]，纖維的Si 2p光譜新增加了2個(gè)峰，Si—O（SiOx納米顆粒）和C—Si—O，表明SiOx納米顆粒成功沉積在GF表面，而且含氧官能團(tuán)的數(shù)量更多。因此，在GF與PP之間形成的化學(xué)鍵合作用越強(qiáng)，越有利于改善PP對(duì)GF的浸潤過程。隨著載氣流量從20 mL/min增加至 80 mL/min[圖7（b）、（d）]，Si—O 的含量從11.63%增加到21.29%，證明隨著載氣流量增大，在GF表面沉積的SiOx納米顆粒越來越多，這與SEM分析結(jié)果一致。

2.3 載氣流量對(duì)GF表面潤濕性能的影響

不同載氣流量時(shí)GF與PP的水接觸角和表面能結(jié)果如圖8所示。與對(duì)照組相比，經(jīng)過等離子體改性的GF與PP熔體的接觸角更低、表面能更高。這是因?yàn)榈入x子體處理后GF表面更粗糙、含氧基團(tuán)含量更高，有利于改善GF的潤濕性能。

圖8 不同載氣流量時(shí)GF的水接觸角和表面能變化情況Fig.8 Results of glass fiber water contact angle and surface energy at different carrier gas flows

如圖8（a）所示，GF與PP熔體的接觸角隨著載氣流量增大，先減小后增大。由圖8（b）可知，GF的表面能極性分量與載氣流量的變化趨勢(shì)一致，這是因?yàn)檩d氣流量越大，引入GF表面的極性含氧官能團(tuán)越多。當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，GF與PP熔體的接觸角最小，為25.5°，而此時(shí)GF的表面能最大，達(dá)到63.0 mJ/m2。由此可見，當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，GF的改性效果最好，這和SEM的結(jié)果一致。這是因?yàn)楫?dāng)載氣流量從20 mL/min增長至40 mL/min時(shí)，GF表面沉積的SiOx納米顆粒更多、分布范圍更廣，更有利于PP對(duì)GF的浸潤過程，因此接觸角減小、表面能增大。當(dāng)載氣流量大于40 mL/min時(shí)，隨著載氣流量的增大，雖然GF的表面能較大，但是纖維與PP熔體的相容性反而變差。這是因?yàn)檫^高的載氣流量會(huì)導(dǎo)致SiOx納米顆粒的團(tuán)聚，因此GF與PP的潤濕性能較差，GF與PP熔體的接觸角增加是合理的。

2.4 GF與SiOx納米顆粒間的黏結(jié)性分析

使用XPS觀察漂洗后與未漂洗GF的元素、化學(xué)鍵含量變化的幅度，表征SiOx納米顆粒和GF間的黏結(jié)性。漂洗后GF的O元素含量、O/C、Si—O（SiOx納米顆粒）含量降低的幅度越大，表明GF與SiOx納米顆粒間的黏結(jié)性越差。

表4和圖9分別為GF束漂洗前后元素含量和Si 2p分峰譜圖。由表4可知，等離子體處理120 s后，與對(duì)照組相比，GF的O元素含量、O/C分別提高了14.1%、19.4%。這是因?yàn)镾iOx納米顆粒沉積在纖維表面，改善了GF的化學(xué)惰性。等離子體處理120 s、漂洗20 min后，與經(jīng)過等離子體處理120 s未漂洗的纖維樣品相比，O元素含量、O/C分別減少了2.64%、0.054。由圖9可知，經(jīng)過漂洗后，GF的Si—O含量相比未漂洗的樣品減少了2.06%。結(jié)果表明，漂洗后GF表面的SiOx納米顆粒有部分脫落，但大部分SiOx納米顆粒與GF的黏結(jié)性較強(qiáng)。

表4 未漂洗與漂洗后GF的元素組成Tab.4 Elemental composition of neat and rinsed GF

圖9 GF的Si 2p分峰擬合結(jié)果Fig.9 Fitting results of Si 2p peaks of GF

結(jié)合圖2可知，在使用模壓法制備GFRP復(fù)合材料的過程中，PP薄膜熔化后流動(dòng)的范圍被固定在模具內(nèi)，由于上下模板施加的外力垂直于GF布，因此PP熔體浸漬纖維的過程中，樹脂主要沿著纖維的徑向流動(dòng)，對(duì)GF表面的SiOx納米顆粒的橫向剝離力較小，同時(shí)由于SiOx納米顆粒與GF間的黏結(jié)性較強(qiáng)，因此在PP浸漬GF的過程中，SiOx納米顆粒的脫落較少。而且由于有模具的限制，少部分脫落的SiOx納米顆粒仍存在于GF與PP間的界面處，在復(fù)合材料冷卻成型后，脫落的SiOx納米顆粒仍起到增大界面摩擦力、接觸面積的作用。因此，在模壓成型過程中，SiOx納米顆粒的少部分脫落情況對(duì)最終復(fù)合材料界面結(jié)合性能的影響較小。

2.5 載氣流量對(duì)GFRP復(fù)合材料界面結(jié)合性能的影響

由圖10可見，經(jīng)等離子體改性后的GFRP復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度的值明顯高于對(duì)照組（未經(jīng)等離子體處理）層間剪切強(qiáng)度的值。這是因?yàn)榈入x子體改性后GF表面更粗糙、極性基團(tuán)更多，因此GFRP復(fù)合材料界面處的物理摩擦作用和化學(xué)鍵合作用增大，最終改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。

圖10 不同載氣流量條件下GFRP復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度Fig.10 Results of interlaminar shear strength of GFRP composites under different carrier gas flow

由圖可見，隨著載氣流量增大，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度先變大后變小。在載氣流量為40 mL/min時(shí)，GFRP復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最大，與對(duì)照組復(fù)合材料的值相比，從3.28 MPa增加到4.29 MPa。這是因?yàn)楫?dāng)載氣流量從20 mL/min增加至40 mL/min時(shí)，引入等離子體射流管內(nèi)的TEOS的量更多，因此在GF表面生長的SiOx納米顆粒的量越多，GF的比表面積增大，有利于改善GF與PP的界面浸潤過程，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度增大。當(dāng)載氣流量大于40 mL/min時(shí)，由于氣體流速過大，SiOx納米顆粒傳遞到GF表面的位置不穩(wěn)定，在纖維表面分布不均勻。而且SiOx納米顆粒由于團(tuán)聚尺寸較大，形成界面的應(yīng)力集中點(diǎn)，鑲嵌在GF里面，不利于GF與PP的界面直接接觸，因此GFRP復(fù)合材料的界面結(jié)合性能反而下降。

如圖11所示，使用SEM進(jìn)一步觀察層間撕裂后GFRP復(fù)合材料的界面情況。與對(duì)照組[圖11（a）]相比，經(jīng)過等離子體處理后[圖11（b）～（e）]，GF表面殘留的PP更多，表明GF與PP之間的界面結(jié)合更牢固。這是因?yàn)榻?jīng)過等離子體處理后，GF表面存在SiOx納米顆粒，進(jìn)而增強(qiáng)了GF與PP界面處的物理摩擦作用和化學(xué)鍵合作用，改善了GFRP復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。由圖11（b）～（e）可知，GF表面殘留PP量對(duì)應(yīng)的載氣流量從多到少依次為：40 mL/min＞60 mL/min＞20 mL/min＞80 mL/min。GF表面殘留PP的含量越多，GF與PP之間的界面結(jié)合越牢固。因此，GFRP復(fù)合材料界面的SEM分析結(jié)論與層間剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果一致。

圖11 不同載氣流量條件下GFRP復(fù)合材料界面SEM圖像Fig.11 SEM images of GFRP composite interface under different carrier gas flow

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，GF與PP的相容性最好、GFRP復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最大、界面結(jié)合最牢固。

3 結(jié)論

（1）隨著載氣流量增大，沉積在GF表面的SiOx納米顆粒粒徑先減小后增大，顆粒在纖維表面分布從不均勻到均勻再到不均勻；當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，SiOx納米顆粒的尺寸最小、在纖維表面分布最均勻；

（2）經(jīng)大氣壓等離子體射流處理GF的表面能增大、接觸角減小，且GFRP復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度均大于對(duì)照組，復(fù)合材料層間撕裂后GF表面殘留的PP更多；

（3）當(dāng)載氣流量為40 mL/min時(shí)，GF的改性效果最好，與對(duì)照組相比，GF與PP的接觸角降低了17.74%，表面能提高了43.08%，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提升了30.79%，復(fù)合材料層間撕裂后GF表面殘留的PP最多。