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高強高模聚酰亞胺(PI)纖維具有突出的力學性能、耐高低溫、耐老化和低吸水、低介電、高絕緣等性能特點,是綜合性能優異、發展潛力突出的高性能有機纖維,能夠在航空航天及電力電子等領域發揮重要作用,是應用前景廣闊的關鍵材料。與現有的高性能有機纖維相比,PI纖維能夠彌補超高分子量聚乙烯纖維耐熱性低、抗蠕變性差的缺點,不存在芳綸纖維吸水率高、熱變形程度大的問題,耐環境特別是耐紫外輻照性能優于PBO纖維。

在擁有上述多項優勢的同時,PI纖維也存在有機纖維的共性問題。聚酰亞胺大分子鏈中交替分布著大量的由酰亞胺五元環和芳環構成的剛性共軛環狀結構,酰亞胺鍵連接的長直分子鏈段結構規整,具有高度穩定性,分子鏈間作用力強。上述結構特性使得PI纖維在具有較高強度和模量的同時,也導致PI纖維取向度高,分子鏈中極性基團向內反轉,纖維表面平整光滑,PI纖維整體表現為低表面能、高度疏水和化學惰性。高性能纖維的主要應用方向之一是作為復合材料增強相使用。PI纖維的表面特性不利于樹脂基體的浸潤與復合。與樹脂固化制成復合材料后,PI纖維與樹脂基體間的界面結合效果也會受此影響樹脂基體無法將作用力充分傳遞至增強纖維,進而導致纖維至復合材料性能轉化率低。此外,PI纖維與一般有機纖維的形態結構類似,存在原纖排布構成的皮芯結構,纖維皮層及芯層的性能差異與結合狀態同樣會導致復合材料在受到層間剪切及橫向拉伸作用力時容易出現脫粘及剝離現象,為復合材料性能帶來不利影響。針對這一問題,可以通過等離子處理技術對纖維表面進行重構,改善表面性能。

等離子體表面處理對纖維表面形貌的影響分析

等離子體處理前后的PI纖維樣品表面微觀形貌如圖1所示,從SEM圖中可以看出未經處理的空白對照組PI-0的纖維表面除少量黏附物外整體平整光滑,無明顯起伏凹凸結構,原纖排布形成的溝槽紋理不明顯;經過等離子體表面處理的樣品纖維表面黏附物增多,隨著處理時間延長進一步出現溝槽紋理加深,皮層原纖出現微裂紋及部分剝離,纖維皮層沿軸向開裂等現象。

圖1　PI纖維等離子體表面處理前后的SEM圖

從纖維增強樹脂基復合材料的結構特點分析,纖維表面粗糙度增加有利于樹脂基體對纖維束的浸潤,強化兩者復合后的界面結合效果,提高復合材料性能。

等離子體表面處理對PI纖維與環氧樹脂浸潤效果的影響

通過動態接觸角測試表征等離子體改性前后環氧樹脂對PI纖維浸潤效果的變化,測試結果如圖2所示。根據測試結果可知,未經等離子處理的空白對照組PI-0纖維在環氧樹脂液體中的接觸角為137°;隨著等離子體表面處理時間的增加,改性后的PI纖維在環氧樹脂液體中的接觸角呈現下降趨勢;等離子體處理10min的PI-10實驗組纖維的接觸角下降到44°,下降幅度達到76.9%。測試結果表明大氣等離子體表面處理能夠改善環氧樹脂對PI纖維的浸潤效果;隨著等離子體處理時間增加,環氧樹脂對PI纖維的浸潤效果越好。

圖2　等離子體處理前后的PI纖維與環氧樹脂的接觸角

針對聚酰亞胺(PI)纖維低表面能及PI纖維/環氧樹脂復合材料界面性能差的問題,可以采用等離子體處理技術對PI纖維進行表面改性，通過等離子體表面處理能夠改善PI纖維與環氧樹脂的浸潤及界面結合狀態,并對PI纖維表面形貌進行重構,優化PI纖維與環氧樹脂復合效果。