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作為纖維增強復合材料中的主要承載部分,增強纖維必須具備優異的力學性能,而PBO纖維擁有高分子纖維中最高的拉伸強度(高達5.8GPa)與模量,在高性能復合材料領域擁有廣泛的應用前景。然而,PBO纖維表現出強的表面惰性,并且缺乏極性官能團,這導致其與樹脂基體復合時界面處缺陷積累,損害復合材料綜合性能。

因此,PBO纖維在制備復合材料之前需對其進行一定程度的預處理,改善其表面狀態,增強與樹脂基體的結合性,從而制備出高效性能的復合材料。然而,PBO纖維的表面改性是極其困難的,其特殊的剛性棒狀分子結構帶來了強的耐腐蝕,同時光滑表面也不利于活性物質在纖維表面的附著。而氧等離子體處理可以通過高能量的氧等離子體轟擊PBO纖維表面,形成粗糙結構以及產生活性氧與懸掛鍵,并且氧等離子體處理后的活性表面更有利于涂層的附著,增加了PBO纖維表面結構的可設計性。

氧等離子體處理對PBO纖維性能的影響

氧等離子體處理PBO纖維的工作原理如圖1-1所示。將樣品至于腔體中,當真空室腔體中的氧氣分子在受到足夠的外部電場作用時,電子將獲得足夠的能量進入更高的能級,進而發生電離作用產生帶電粒子或亞穩態的粒子。這種電離氣氛能量高于PBO的化學鍵能,使其在帶電粒子的轟擊下被部分氧化分解,產生氣態氧化物(如CO2、NO2)。同時,此過程也可以在PBO纖維表面形成含氧官能團以及表面微結構,從而改善纖維的表面狀態并提升表面活性,改善了PBO纖維與樹脂基體的界面相容性。

圖1-1 氧等離子體處理PBO纖維示意圖

PBO纖維表面形貌分析

采用SEM對PBO纖維的表面形態進行了詳細觀察,結果如圖1-2所示。可以看到未經處理的PBO纖維表面光滑平整,這主要源于其獨特的紡絲工藝及化學結構。在經過300W功率的氧等離子體處理5min后,PBO纖維表面出現了分布均勻且具有納米級尺寸的圓形氧化顆粒。這些顆粒的形成是由于高能氧等離子體的轟擊作用,引發了纖維表面的氧化反應。

圖1-2 不同氧等離子體處理時間PBO纖維表面SEM 

隨著處理時間的延長,在300W功率下進行10min的氧等離子體處理后,PBO纖維表面的氧化顆粒逐漸增大,并且呈現聚集的趨勢,相較于5min處理時,氧化顆粒在表面呈現出較為散亂且較為鋒利的邊緣。在處理時間延長至20min時,表面氧化顆粒進一步聚集,并出現了明顯的島狀凸起結構。這種現象可歸因于長時間的氧等離子體轟擊導致PBO纖維表面某些區域發生了溶解膨脹的效應,從而形成了較為顯著的微結構變化。

氧等離子體處理因其高能量密度和快速反應特性,能夠在短時間內顯著改變PBO纖維的表面形貌,形成具有精細控制的微結構。

PBO纖維表面化學狀態分析

如圖1-3所示,氧等離子體處理后的PBO纖維FTIR圖譜顯示,在1615cm?1處出現了顯著的C=N鍵伸縮振動峰,對應于PBO分子結構中的惡唑環。此外,在1619cm?1至1415cm?1范圍內,可觀察到苯環的伸縮振動峰,進一步證實了PBO纖維的分子特征。

圖1-3 氧等離子體處理后PBO纖維FTIR圖譜

除此之外,在3480cm?1處檢測到明顯的羥基(-OH)吸收峰,這表明氧等離子體的氧化作用在纖維表面引入了極性基團,從而提高了纖維的表面活性。此外,在1730cm?1處出現了羰基(-C=O)伸縮振動峰,表明部分PBO結構經歷了氧化過程,導致羧基(-COOH)或酯基(-COOR)的形成。這些氧化基團的引入顯著增強了纖維表面的親水性和化學反應活性。

氧等離子體處理不僅增加了PBO纖維表面的粗糙度,而且通過化學改性在纖維表面引入了氧化基團,進而提高了其表面活性。這種改性效應為后續離子螯合共聚物涂層的結合提供了更多的活性位點。

等離子體處理作為PBO纖維表面改性的重要手段,其作用機理源于高能活性粒子對纖維表層的物理刻蝕與化學協同效應。在等離子體場中,激發態粒子(如電子、離子及自由基)通過動能傳遞對纖維表面進行轟擊,一方面通過物理濺射形成納米級溝壑結構以增大表面粗糙度,另一方面通過化學鍵斷裂重組在惰性表面引入含氧極性基團(如羥基、羧基),從而改善纖維與基體間的界面相容性。該技術優勢體現在工藝效率高、環境友好且參數可控性強,通過調節放電功率、處理時長及工作氣體組分(如N2、Ar/O?混合比例),可定向調控表面拓撲形貌與化學活性。