CN87104425A - 纤维、织物及薄膜表面冷等离子体连续处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是有关纤维、织物、薄膜表面冷等离子体连续处理技术工艺。主要特点是对所处理纤维的束数和支数不限，对薄膜、纤维带也无苛刻要求。处理过程连续化，完全适用于工业化生产的要求。是纤维生产厂家和复合材料生产厂家和研制单位所必需的技术。碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维经本技术处理后，其复合材料的层间剪切强度可分别提高80％、250％和20％。

Description

本发明是关于纤维、织物及薄膜表面冷等离子体连续处理的新工艺，用来改善它们的表面性能。

众所周知：纤维在增强树脂基体前一定要进行表面处理，从而使纤维表面具有较好的浸润性和粘结性来获得较高的层间剪切强度，保证较佳的复合效果，用于包装等行业的薄膜也存在需表面处理的问题。尤其是随着航天、航空及交通运输业，医疗和体育用品对特种纤维增强树脂基复合材料-碳纤维、石墨纤维和芳纶纤维增强树脂基复合材料的迫切需要，使得表面处理的问题越来越突出。

特种纤维具有非常高的比强度和比模量。但由于他们的表面惰性大，浸润性和粘结性都很差，这使得特种纤维增强的复合材料的层间剪切强度很低，性能分散性也大，影响了特种纤维优异力学性能在复合材料中的发挥，也就限制了这种先进复合材料的使用。因此，寻找一种行之有效又可工业化的表面处理方法来改善纤维的表面性能，提高复合材料的层间剪切强度成为一个影响这种先进复合材料应用的关键性问题。

常规的表面处理方法有气相氧化法、液相氧化法、表面涂层法、表面化学气相沉积法、表面接技法、表面电沉积法等。但这方法分别存在有处理效果差、处理效率低、工艺复杂、操作复杂、环境污染、费用昂贵及难以工业化等缺点。而冷等离子体表面处理法和这些方法相比则有其独特的优越性。

1、由于是气相与固相反应，避免了液体试剂的使用，经济、安全、无公害，没有三废处理的问题。

2、表面处理一步完成，操作简单。而且处理仅影响表面性能，对本体几乎不发生作用，因此，等离子体处理时对本体性能几乎不发生影响。

3、处理时间短、效果好，适应面广泛且易于工业化。

但到目前为止，国内外现有的有关技术都无法达到工业化连续生产的要求。本发明的目的就是要提供一种行之有效的、可工业化的纤维、织物、薄膜表面冷等离子体连继处理新工艺。

本发明是对纤维束、纤维带、薄膜进行连续表面处理的新技术工艺。以纤维、织物的处理为例，等离子体处理装置包括束丝分离器，真空密封系统，真空计，充排气系统和等离子发生器。其详细结构设计已和本发明同时申请专利。送丝系统将多束纤维（纤维束数不限）同时连续地通过束丝分离器进入等离子体处理装置。收丝系统和送丝系统相配合，将处理好的纤维连续收起，根据需要还可在收丝系统前加一浸胶系统。束丝分离器可保证多束纤维同时地、平行地、不重迭地进入处理装置。真空密封系统和充排气系统保证在指定真空度和气氛下产生冷等离子体。等离子体发生器的振动频率为13.56MHZ，为电容耦合式，功率为30～3000W。系统真空度为1-10^-2Torr，处理气氛即可是惰性气体（He、Ar、N₂等）也可为活性气体（O₂、CO₂、NH₃空气等）。处理时间可为1S～30min。

在冷等离子体中含有丰富的反应活性物质。如紫外线、自由基、活化了分子和原子、离子、电子等。当它们和被处理固体表面作用时，可在其表面发生氧化、交联、大分子断链等反应。其中交联反应可消除其表面的薄弱层，大分子断链可增加表面形成界面时的界面扩散能力，而氧化通过增加了表面极性基团可达到增加界面作用力的效果。这些都利于表面浸润性和表面粘结能力的改善。这可使得纤维增强树脂基复合材料的层间剪切强度大为提高。具体的处理效果除和被处理物的性质有关外还和处理时间、等离子体气氛、功率及真空度有关。

在实施例1、2中所用树脂基体配方均为环氧618∶BF₃∶乙胺∶丙酮＝33.30克∶1，000克∶27毫升。固化条件为：

室温T↑    100℃    T↑    150℃    T↑    180℃

0.5hr 20kg/cm²40kg/cm²40kg/cm²40kg/cm²

1mr    2hr

实施例1：纤维为吉林碳素厂生产的碳纤维。抗拉强度为2.2×10⁴kg/cm²，比重为1.73g/cm³，含碳量＞90%。纤维束支数为3000，将20束石墨纤维同时连续进行冷等离子表面处理，制成纤维增强环氧复合材料，结果见表一。

实施例2：纤维为吉林碳素厂生产的石墨纤维。抗拉强度为2.0×10⁴kg/cm²，杨氏模量为2.6×10⁶kg/cm²，比重为1.77/cm³，含碳量＞99%，纤维束支数为3000。将20束石墨纤维同时连续进行冷等离子体处理，处理结果见表二，制成石墨纤维环氧复合材料。

实施例3：芳纶纤维通过冷等离子腔时的真空度为10^-2Torr空气流量40ml/min，功率300W，将芳纶纤维浸入DTE-80 100份，2-2基4-甲基咪4份，丙酮100份的溶液中，烘干，模压固化（

）复合材料样品厚为2.0mm。宽6.7mm，长200mm，用三点弯曲测其层间剪切强度（跨高比为5∶1）为：

经本发明处理750kg/cm²，未处理620kg/cm²。

实施例四：聚乙烯薄膜通过等离子腔速度为20cm/min，真空度为10^-2Torr、功率400W，空气流量80ml/min，把薄膜裁成20×70mm的试件，用XQ-2多功能快速粘胶剂胶接，测定剪切强度、薄膜断、胶接接头完好。

本发明对所处理的纤维种类，纤维数及纤维束数均无特殊要求，且为一连续处理过程，满足了工业化生产的要求，处理效果显著。此外，本发明还适用于薄膜及纤维的表面处理。本发明是纤维生产厂家，复合材料生产厂家及研究单位的必不可少的技术工艺，技术意义、经济和社会意义都很显著。纤维经本工艺处理后，碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维增强复合材料的层间剪切强度可分别提高80%、250%和20%。且性能的分散性也大大降低。

Claims (3)

1、纤维、织物及薄膜表面处理工艺。本发明的特征为采用冷等离子体连续处理工艺。

2、如权利要求1所述：其特征是等离子体发生器的振动频率为13.56MHZ，为电容耦合式，功率30-3000W，系统真空度在1-10^-2Torr，处理时间15-30min，处理气氛为He、Ar、N₂或O₂、CO₂、NH₃。

3、如权利要求1所述：其特征为可处理碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维、聚乙烯薄膜。