CN103966833B - 一种表面改性高强高模聚酰亚胺纤维的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种表面改性高强高模聚酰亚胺纤维的方法及其应用，属于纤维表面改性及其应用领域。该方法是将高强高模聚酰亚胺纤维暴露在等离子体中进行改性，其中等离子体是由处理气体在射频电感耦合装置的作用下生成，其中所述处理气体包括氧气、氮气、氩气以及氦气中的至少一种。本发明在保证纤维的机械强度下降小于5％的情况下，有效的改善了纤维的浸润性能，纤维的表面自由能提高了20％～70％。改性后的纤维可应用于与环氧树脂制备复合材料，该复合材料的层间剪切强度相对于未经过处理的纤维制备的复合材料提高了5～40％。
Description
技术领域
本发明属于高性能纤维表面改性及其应用技术领域，具体涉及一种等离子体改性高强高模聚酰亚胺纤维表面的方法及其在制备复合材料中的应用。
背景技术
随着科技的飞速发展，航空航天、军工国防等尖端领域对材料的性能提出越来越高的要求，传统的单一材料已经不能很好的满足其使用需要。在此背景下，高性能纤维增强树脂复合材料以其高强度、低密度、低介电、耐腐蚀、耐高温、耐低温等众多优势而迅猛发展。
目前常用作复合材料增强体的高性能纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、PBO纤维等。而高强高模聚酰亚胺纤维作为高性能纤维家族的一员，除具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等特点外，还具有其他纤维所无法比拟的抗辐照性能和极为突出的耐低温性能。这些优势决定了高强高模聚酰亚胺纤维能够在极端的环境下工作，拥有极为广阔的应用前景。但未经过表面处理的高强高模聚酰亚胺纤维表面十分光滑且表面自由能很低，使得其与树脂的浸润性能很差，这无疑限制了它的应用范围。
纤维表面改性的方法很多，包括酸处理、碱处理、表面涂覆处理、辐射处理、等离子体处理等。其中等离子体处理作为一种干式工艺，具有操作简单、节能环保、效果显著、所需时间短、对纤维损伤程度低、不需要后处理等优势。由于目前还未有商品化的高强高模聚酰亚胺纤维，所以国内外鲜有其表面改性的相关报导。基于此，本发明提供了一种等离子体改性高强高模聚酰亚胺纤维表面的方法及其应用。
发明内容
基于以上背景技术内容，本发明的目的在于公开一种等离子体改性高强高模聚酰亚胺纤维表面的方法，使纤维表面粗糙度和浸润性能得到改善，从而提高其与树脂制备复合材料的界面性能。
本发明公开的一种等离子体改性高强高模聚酰亚胺纤维表面的方法，具体步骤如下：
(1)将高强高模聚酰亚胺纤维置于射频电感耦合等离子清洗机体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下。
(2)向步骤(1)中的腔体通入处理气体并调节放电气压、设置放电功率和处理时间，使腔体中的高强高模聚酰亚胺纤维直接暴露在等离子体中，从而对其表面进行改性处理。
(3)将步骤(2)中处理好的纤维取出并用保鲜膜封好，备用。
本发明中，步骤(2)中所述的处理气体包括氧气、氮气、氩气、氦气中的至少一种
本发明中，步骤(2)中所述的处理气体以1～500SCCM的流量通入，优选5～300SCCM。
本发明中，步骤(2)中所述的等离子体放电气压为5～500Pa，优选气压为10～200Pa。
本发明中，步骤(2)中所述的等离子体的放电功率为10～1000W，优选功率为50～500W。
本发明中，步骤(2)中所述的高强高模聚酰亚胺纤维在等离子体中的处理时间为5～1800s，优选时间为30～1200s。
本发明在保证纤维的机械强度下降小于5％的情况下，有效的改善了纤维的浸润性能，纤维的表面自由能提高了20％～70％。改性后的纤维可应用于与环氧树脂制备复合材料，该复合材料的层间剪切强度相对于未经过处理的纤维制备的复材提高了5～40％。
本发明具有以下的目的及效果：
1.本发明提供了一种有效的改善聚酰亚胺纤维表面性能的方法—等离子体法。
2.本发明可通过调整处理气体、气体流量、放电气压、放电功率以及处理时间来优化纤维表面的改性效果。
3.本发明提供的等离子体改性高强高模聚酰亚胺纤维表面的方法操作简单、效果明显、效率高且无需后处理。
4.本发明所提供的方法处理过的聚酰亚胺纤维可与环氧树脂制备复合材料，其界面性能相对于未处理者得到显著改善。
附图说明
图1是未处理聚酰亚胺纤维表面SEM照片。
图2是实施例1中处理后的纤维表面SEM照片。
图3是未处理纤维制备复合材料的劈裂面SEM照片。
图4是实施例1中处理后纤维制备复合材料的劈裂面SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，同行业的工作者通过简单的替换处理气体或树脂基体所获得的实施例皆落于本专利的保护范围。实施例中所用纤维的制备方法参见CN102345177A。
实施例1：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氧气，保持腔体中放电压力为30Pa，在200W的放电功率下处理10min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为50％。
实施例2：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氦气，保持腔体中放电压力为40Pa，在200W的放电功率下处理10min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为50％。
实施例3：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以200SCCM的流量通入氩气，保持腔体中放电压力为50Pa，在150W的放电功率下处理7min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为51％。
实施例4：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氧气和氩气的混合气体(O2/Ar为3:2)，保持腔体中放电压力为40Pa，在150W的放电功率下处理3min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为52％。
实施例5：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以50SCCM的流量通入氮气，保持腔体中放电压力为60Pa，在100W的放电功率下处理15min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为50％。
实施例6：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以5SCCM的流量通入氧气，保持腔体中放电压力为10Pa，在200W的放电功率下处理5min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为49％。
实施例7：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以100SCCM的流量通入氦气，保持腔体中放电压力为30Pa，在500W的放电功率下处理30s。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为49％。
实施例8：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氮气，保持腔体中放电压力为30Pa，在50W的放电功率下处理20min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为51％。
比较例1：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氧气，保持腔体中放电压力为30Pa，在700W的放电功率下处理10min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为50％。
比较例2：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氦气，保持腔体中放电压力为40Pa，在200W的放电功率下处理30min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为49％。
比较例3：
将聚酰亚胺纤维置于等离子体腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下，以300SCCM的流量通入氩气，保持腔体中放电压力为300Pa，在150W的放电功率下处理7min。将处理后的纤维进行动态接触角的测试并计算器表面能值，同时使用纤维做增强体与环氧树脂复合制备复合材料并测试其层间剪切强度，纤维所占体积分数为52％。
表1聚酰亚胺纤维处理前后性能及其增强环氧树脂复合材料层间剪切强度变化
| 纤维拉强度/GPa | 纤维表面能/mJ/m2 | 复材层间剪切强度/MPa | |
| 未处理纤维 | 3.05 | 31.1 | 60.5 |
| 实施例1 | 3.01 | 53.3 | 82.4 |
| 实施例2 | 3.03 | 54.2 | 84.7 |
| 实施例3 | 2.99 | 53.1 | 83.0 |
| 实施例4 | 2.97 | 56.7 | 86.2 |
| 实施例5 | 2.99 | 50.9 | 80.5 |
| 实施例6 | 3.04 | 44.7 | 71.0 |
| 实施例7 | 3.00 | 43.5 | 68.6 |
| 实施例8 | 3.01 | 39.1 | 66.8 |
| 比较例1 | 2.45 | 33.6 | 42.3 |
| 比较例2 | 2.39 | 32.7 | 39.7 |
| 比较例3 | 2.93 | 34.2 | 60.8 |
Claims (4)
1.一种表面改性高强高模聚酰亚胺纤维的方法，其特征在于，用等离子体对高强高模聚酰亚胺纤维进行表面改性；具体步骤如下：
(1)将高强高模聚酰亚胺纤维置于射频电感耦合等离子体清洗机腔体中，用真空泵将腔体气压抽至5Pa以下；
(2)向步骤(1)中的腔体通入处理气体并调节放电气压、设置放电功率和处理时间，使腔体中的高强高模聚酰亚胺纤维直接暴露在等离子体中，从而对其表面进行改性处理；
(3)将步骤(2)中处理好的纤维取出并用保鲜膜封好，备用；
步骤(2)中所述的处理气体包括氧气、氮气、氩、氦中的至少一种；步骤(2)中所述处理气体以30～500SCCM的流量通入；(2)中所述等离子体放电气压为30～50Pa；步骤(2)中所述等离子体的放电功率为150～200W；步骤(2)中所述高强高模聚酰亚胺纤维在等离子体中的处理时间为3-10min。
2.由权利要求1中所述方法改性得到的高强高模聚酰亚胺纤维的应用，与环氧树脂复合制备复合材料。
3.根据权利要求2所述高强高模聚酰亚胺纤维的应用，其特征在于，高强高模聚酰亚胺纤维所占体积分数为40～60％。
4.根据权利要求3所述高强高模聚酰亚胺纤维的应用，其特征在于，高强高模聚酰亚胺纤维所占体积分数为48～52％。
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