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連續碳纖維增強PA66復合材料憑借其高比強度、耐化學腐蝕性及可回收特性,在汽車輕量化、航空等領域展現出廣闊應用前景。然而,碳纖維與PA66樹脂基體間存在顯著的界面結合缺陷,主要源于碳纖維表面化學惰性與PA66極性基團不相容,這嚴重影響了復合材料的力學性能。傳統界面改性技術(如液相氧化、偶聯劑改性)雖然能夠提升界面結合強度,但工藝過程時間長。相較而言,等離子體表面處理技術因操作簡單,綠色無污染和較低成本等優點,已經逐步成為纖維在線表面處理的技術選擇。

在線等離子體表面處理裝置主要是通過空壓機產生空氣,隨后通過氣壓閥對氣體壓力進行控制后進入到等離子體發生器,由發生器對氣體電離之后通過旋轉噴射儀噴射等離子體,對纖維表面進行濕潤性能改善和表面刻蝕增加粗糙度。在線等離子體處理裝置圖如圖1-1所示:

圖1-1 等離子體在線處理碳纖維

在等離子體表面處理工藝實施過程中,纖維增強體表面主要承受以下雙重作用機制的影響:一方面是纖維表面刻蝕改性,增加纖維表面粗糙度。纖維的比表面積增大,在一定程度上增加樹脂與纖維的接觸面積并形成互鎖結構,增加界面結合力。另一方面,不同氣體等離子體處理會對纖維表面元素具有活化作用。

在線等離子體處理CF界面化學結構的機制研究

使用X射線光電子能譜儀(XPS)表征等離子體處理前后CF表面元素含量變化,如表1-1所示:

表1-1 等離子體處理前后碳纖維表面元素含量的變化

從表1-1可以看出,經過等離子體處理的纖維C元素含量下降了2.07%,O元素含量上升了2.12%,N元素含量基本不變。其中O/C元素比增加了12%。這表明經過等離子體處理的碳纖維表面含氧元素增多,含氧官能團增多,纖維表面活性得到激活。

通過對處理前后的纖維C1s軌道分峰光譜圖的峰面積來確定不同含碳官能團的占比,如圖2-1所示:

圖2-1 等離子體處理前后CF表面C1 s分峰擬合圖 

等離子體處理過的碳纖維表面含碳官能團中,C-C鍵比例下降,含O官能團比例上升。其中,C-O含量的提高可有效改善纖維表面浸潤性,促進樹脂基體對纖維的浸潤;同時,C=O官能團含量的增加,可與PA66等基體形成強界面相互作用。空氣等離子體處理CF在化學結構方面主要是通過引入更多含氧官能團與樹脂基體極性基團形成共價鍵增強化學鍵合效果。

等離子體處理前后CF表面O1 s分峰擬合圖如圖3-1所示: 

圖3-1 等離子體處理前后CF表面O1 s分峰擬合圖

經過表面處理后的C=O比例下降,C-O比例提高,這是因為通過等離子體處理樣品表面C-O鍵相關的官能團含量增加,處理過程促進了氧化反應、引入更多含C-O結構(如羥基、醚鍵等),改變了纖維表面化學活性,使纖維表面含氧官能團比例上升。

等離子體表面處理技術作為一種環境友好型干式工藝,基于非平衡等離子體活化原理,不依賴大量水和化學溶劑,因此具備環境友好、操作簡便和低成本的特點。此技術能夠廣泛應用于碳纖維材料表面改性,對處理對象沒有特定限制,展現了極強的通用性。