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PBO纤维表面常压等离子体处理研究

作　者: 胡倩倩
导　师: 徐金洲
学　校: 东华大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 介质阻挡放电(DBD) 等离子体处理 poly(1，4-phenylene-cis-benzobisoxazole)(PBO)纤维表面改性
分类号: TS195.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

PBO纤维是一种液晶杂环聚合物,是继Kevlar纤维之后的新一代超高性能纤维,也是目前综合性能最好的有机纤维。由于其优异的力学性能,耐化学腐蚀性,耐热性能在军事防护服,通信材料,耐热防护服和体育用品中得到了广泛的应用。但是由于其表面的惰性,和复合材料的粘结性能很差,严重限制了纤维的应用,因此对PBO纤维广泛应用的关键就是表面改性。本文主要是用实验室自行研发、设计的常压等离子体连续处理装置(PLA-PLA)对PBO纤维表面进行改性处理,并通过接触角、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、以及界面剪切强度(IFSS)等测试手段来研究等离子体处理时间、放电功率以及气体组成对PBO纤维表面浸润性能、表面形貌、表面粗糙度以及界面粘结强度的影响及变化规律。结果表明：(1)在处理时间小于3 min,放电功率低于400W的时候,等离子体处理后纤维表面的接触角降低了(接触角从84.7°降低到了68.38°),但是当处理时间超过3 min,功率高于400W的时候,接触角又逐渐增大了；(2)短时间和低功率的处理在纤维表面引入了很多刻蚀坑和裂纹,使得纤维表面变得粗糙,长时间和高功率的处理反而使纤维表面出现了溶胀,粗糙度降低等现象,这说明长时间和高功率的处理会使纤维刻蚀过度,损伤严重。相应地,IFSS测试的结果表明短时间和低功率的等离子体处理使得复合材料的粘结性能改善了,而长时间和高功率的处理反而使复合材料的粘结性降低了。通过接触角和IFSS测试的结果可以得出等离子体处理的最佳条件为3min,400W,另外还可以得出气体组成(Ar/O2)的最佳比为100：1。本文用接触角测试对PBO纤维的处理实效性进行了研究,将等离子体处理后的纤维置于空气中可以发现接触角随着放置时间的延长而增加了,但当放置时间达到65 h的时候,接触角的增加趋势变缓。本文还用X-射线光电子能谱(XPS)、红外(FTIR)以及层间剪切强度(ILSS)分析了等离子体处理前后纤维表面的元素组成以及粘结强度的变化。结果表明：(1)等离子体处理在纤维表面引入了一些含氧极性官能团(-C=O)；(2)ILSS提高的结果表明等离子体处理改善了纤维和树脂基体的粘结性能(从3.3 MPa提高到了7.6 MPa,提高了130%)。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-32
  1.1 PBO纤维的结构,应用  12-15
  1.2 PBO纤维的性能  15-16
  1.3 PBO纤维改性的各种方法  16-20
  1.4 等离子体简介  20-23
  1.5 低温等离子体和高分子材料表面的相互作用机理  23-27
  1.6 等离子体对PBO纤维的相关的研究以及研究结果  27-30
  1.7 本论文的研究意义和主要内容  30-32
第二章常压介质阻挡放电等离子体研究  32-45
  2.1 实验装置  32-33
    2.1.1 等离子体产生装置  32-33
    2.1.2 等离子体测试装置  33
  2.2 实验过程  33-34
  2.3 介质阻挡放电等离子体光谱结果以及分析  34-37
    2.3.1 纯氩气介质阻挡放电等离子体光谱结果以及分析  34-35
    2.3.2 不同气体组成的介质阻挡放电等离子体光谱结果以及分析  35-37
  2.4 介质阻挡放电等离子体电流-电压曲线结果以及分析  37-44
    2.4.1 放电功率对Ar等离子体放电特性的影响  37-39
    2.4.2 不同气氛气体对等离子体放电特性的影响  39-40
    2.4.3 不同功率对Ar/O_2等离子体放电特性的影响  40-42
    2.4.4 不同气体组成对等离子体放电特性的影响  42-44
  2.5 本章小结  44-45
第三章常压介质阻挡放电处理PBO纤维  45-70
  3.1 实验部分  45-47
    3.1.1 材料  45
    3.1.2 实验设备  45-46
    3.1.3 等离子体处理过程  46-47
  3.2 等离子体处理后纤维的性能表征  47-49
    3.2.1 接触角测试  47-48
    3.2.2 SEM测试  48
    3.2.3 AFM测试  48
    3.2.4 XPS测试  48
    3.2.5 红外测试  48-49
    3.2.6 单纤维拉伸强度和纤度的测试  49
  3.3 接触角结果与分析  49-54
    3.3.1 放电功率和处理时间对接触角的影响  49-51
    3.3.2 处理气氛对接触角的影响  51-52
    3.3.3 PBO纤维的失效效果  52-54
  3.4 表面形貌结果与分析  54-60
    3.4.1 处理时间对PBO纤维形貌的影响  54-58
    3.4.2 处理气氛处理对纤维形貌的影响  58-59
    3.4.3 放电功率对PBO形貌的影响  59-60
  3.5 PBO纤维表面结构以及元素组成结果与分析  60-63
    3.5.1 XPS结果与分析  60-62
    3.5.2 处理前后的PBO纤维的红外谱图分析  62-63
  3.6 处理前后的PBO纤维的单纤维拉伸强度  63-65
    3.6.1 处理时间对拉伸强度的影响  63-64
    3.6.2 放电功率对拉伸强度的影响  64-65
  3.7 处理前后的PBO纤维的纤度  65-68
    3.7.1 处理时间对纤维纤度的影响  65-66
    3.7.2 放电功率对纤维纤度的影响  66-67
    3.7.3 处理气体组成对纤维纤度的影响  67-68
  3.8 本章小结  68-70
第四章常压介质阻挡放电处理PBO/DO3E复合材料  70-79
  4.1 DBD处理纤维实验  70-72
    4.1.1 原料和试剂  70
    4.1.2 实验设备  70
    4.1.3 实验过程  70-72
  4.2 处理后纤维粘结强度表征  72-74
    4.2.1 复合材料的制备和其层间剪切强度的测试  72
    4.2.2 IFSS测试  72-74
  4.3 处理前后的ILSS结果与分析  74-75
  4.4 处理前后的IFSS结果以及分析  75-78
    4.4.1 处理时间对IFSS的影响  75-76
    4.4.2 放电功率对IFSS的影响  76
    4.4.3 处理气氛组成对IFSS的影响  76-78
  4.5 本章小结  78-79
第五章结论  79-82
参考文献  82-90
硕士期间发表的论文和申请的专利  90-91
致谢  91

PBO纤维表面常压等离子体处理研究

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