1. 前言
芳綸纖維的應(yīng)用非常廣泛，特別是在各種復(fù)合材料中。這些復(fù)合材料很多用于直升飛機(jī)裝甲，軍用車(chē)輛，防彈頭盔及人體裝甲等方面。復(fù)合材料不僅防彈性能好，而且耐腐蝕，重量輕。但到目前為止，芳綸纖維與樹(shù)脂的粘合性仍有待提高。如果粘合性不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，隨著使用時(shí)間的推移，芳綸纖維就會(huì)和樹(shù)脂逐漸脫離。汽車(chē)輪胎中的簾子線與橡膠的粘合是一個(gè)粘合性應(yīng)用很好的例子。簾子線就像輪胎中的骨架，如果與橡膠粘合的不好，汽車(chē)在行駛途中，就會(huì)不斷的剝離簾子線和橡膠，等達(dá)到一定程度，就可能引發(fā)災(zāi)難性事故[1-2]。
經(jīng)常壓等離子體射流處理后的芳綸纖維，表面被高能粒子轟擊發(fā)生刻蝕，纖維表面粗糙度大大增加，比表面積增大，同時(shí)纖維表面還引入了一些極性基團(tuán)。如： －CONH,－COOH等。這些基團(tuán)不僅能改善纖維表面親潤(rùn)性，還能與樹(shù)脂形成交聯(lián)，從而提高芳綸纖維與樹(shù)脂的粘合性[1-7]。
由于常壓等離子體射流處理技術(shù)突破了傳統(tǒng)的真空等離子體處理技術(shù)，是在常溫常壓下進(jìn)行處理，纖維的含水率會(huì)隨著環(huán)境溫濕度的變化而變化。如果含水率高，參與常壓等離子體射流處理時(shí)的氫元素和氧元素就多，這將有可能影響常壓等離子體處理材料的效果,本文研究常壓等離子射流處理對(duì)不同含水率芳綸纖維表面化學(xué)成分的影響。，首先使用常壓等離子體處理三種含水率不同的芳綸纖維，通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試來(lái)分析等離子射流處理前后表面化學(xué)成分發(fā)生的變化。
2. 實(shí)驗(yàn)
2.1試樣準(zhǔn)備
Twaron1000纖維由荷蘭阿蘇克公司生產(chǎn)，單纖維直徑大約10μm。處理前將纖維用丙酮清洗30分鐘，并放在真空干燥箱里干燥12小時(shí)，去掉纖維表面的雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)處理環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)，控制三種有代表性的Twaron 1000纖維含水率。它們分別為0.5%，4.5，5.5%。對(duì)每種含水率準(zhǔn)備3份試樣。
2.2 常壓等離子射流處理
采用美國(guó)Surfx Technologies 公司制造的常
調(diào)節(jié)好常壓等離體射流處理環(huán)境的溫度和濕度。并在處理不同含水率的芳綸纖維時(shí)保持對(duì)應(yīng)溫濕度的相對(duì)穩(wěn)定。將待處理樣品沿傳送帶移動(dòng)方向固定于傳送帶上。先打開(kāi)通氣閥門(mén)，再打開(kāi)電源。等達(dá)到試驗(yàn)參數(shù)要求后開(kāi)始試驗(yàn)。將試驗(yàn)后的樣品立即分類(lèi)裝入密封的玻璃瓶?jī)?nèi)。
2.3表面化學(xué)成分分析
XPS測(cè)試樣如圖1所示。其具體方法是：首先將芳綸纖維束剪成長(zhǎng)2厘米，寬2毫米的纖維束段，銦箔剪成長(zhǎng)3厘米，寬1.5厘米的矩形。然后將3段芳綸纖維束平行擺放在銦箔上，纖維束的間隔約為2毫米。再將銦箔兩邊超過(guò)纖維部分的向內(nèi)折壓，并用手術(shù)鉗夾緊，使得在真空狀態(tài)時(shí)，纖維不能脫離銦箔對(duì)它的控制。
采用MICROLAB MKII X射線光電子能譜分析儀，將4份試樣依次放入光電子能譜分析儀，將照射區(qū)抽真空。調(diào)節(jié)X射線光電子能譜分析儀的采集角為90o，本地真空為2×109 mPa，X光的功率為300W，電壓為13kV，電流是20mA。由于在常壓等離子體射流處理過(guò)程中，接觸到的主要是空氣，所以主要探測(cè)元素為C、N、O三種元素。
3. 結(jié)果與分析
常壓等離子體處理前后芳綸纖維表面元素和基團(tuán)含量見(jiàn)表1和表2。
表1 常壓等離子射流處理前后纖維表面元素含量的變化
| 試樣 | 化學(xué)元素含量(%) | 比例 | |||||
| C | O | N | O/C | N/C | (O+N) /C | ||
| 原樣 | 73.89 | 17.76 | 8.45 | 23.9 | 11.4 | 35.3 | |
| 處理樣 | 0.5% | 70.34 | 20.29 | 9.37 | 28.8 | 13.3 | 42.1 |
| 4.5% | 70.89 | 18.90 | 10.21 | 26.7 | 14.4 | 41.1 | |
| 5.5% | 76.16 | 15.70 | 8.26 | 20.6 | 10.8 | 31.4 | |
表2 常壓等離子射流處理前后纖維表面基團(tuán)的變化
| 試樣 | 基團(tuán)含量(%) | ||||
| -C< | -C-N/O- | -CONH- | -COO- | ||
| 原樣 | 66.2 | 28.5 | 5.3 | 0 | |
| 處理樣 | 0.5% | 47.18 | 24.2 | 12.6 | 1.5 |
| 4.5% | 50.4 | 25.9 | 11.8 | 2.2 | |
| 5.5% | 43.0 | 24.4 | 13.7 | 4.1 | |
表2反映的4份樣品經(jīng)XPS分析后的表面化學(xué)元素不同基團(tuán)的比例變化。凡是經(jīng)常壓等離子體處理過(guò)的比未處理的芳綸纖維表面-CONH-有所增加，處理過(guò)的芳綸纖維表面引入了新的基團(tuán)-COO-。經(jīng)過(guò)常壓等離子體處理過(guò)的芳綸纖維表面，含水率越高，基團(tuán)-CONH-和-COO-也增加越多，這說(shuō)明水分影響常壓等離子處理后的芳綸纖維表面的化學(xué)成分，從而影響處理效果。這可能是纖維中較多水分的存在，使得水中的氧元素在常壓等離子體處理過(guò)程中更容易被引入到纖維表表面，導(dǎo)致極性基團(tuán)增加
4 結(jié)論
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)和分析，可以得出如下結(jié)論：
1、芳綸纖維經(jīng)過(guò)常壓等離子體射流處理后，極性基團(tuán)有了明顯的增加。未經(jīng)處理的芳綸纖維表面主要是—C—C—，—C—C—N—和—C—O—，而經(jīng)過(guò)常壓等離子體射流處理過(guò)后表面增加了—CONH—和—COO—極性基團(tuán)。
2、在射流處理過(guò)程中纖維的含水率不同，極性基團(tuán)的增加不同，含水率越高，增加越明顯。而極性基團(tuán)的增加能有效促進(jìn)芳綸纖維表面粘合性增加。
使用常壓等離子體處理對(duì)今后大工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)提供了很好的環(huán)境條件，真空狀態(tài)的等離子體不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低。而低溫下的等離子體使得生產(chǎn)成本有非常高。所以，常壓等離子體射流處理技術(shù)是一種節(jié)能，高效的生產(chǎn)處理技術(shù)。
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