董懷斌

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體表面處理在有機(jī)高分子材料中的應(yīng)用研究

董懷斌

（裝甲兵工程學(xué)院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體處理技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種表面處理領(lǐng)域，但在碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料表面處理方面研究卻很少。文中介紹了等離子體處理技術(shù)在高分子有機(jī)材料方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及處理后材料表面潤(rùn)濕性、表面形貌、化學(xué)成分和粘結(jié)性等方面的影響。研究分析等離子體處理技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料上的應(yīng)用前景。

等離子體；表面處理；有機(jī)高分子材料

等離子體技術(shù)自20世紀(jì)60年代至今已經(jīng)在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，尤其是近年來(lái)隨著新材料的不斷發(fā)展，對(duì)新材料表面進(jìn)行處理能夠改善材料的耐磨性、抗腐蝕性、潤(rùn)濕性以及黏結(jié)性等重要性能。因此，等離子體表面改性技術(shù)已經(jīng)成為新材料學(xué)的前沿領(lǐng)域研究[1～3]。

碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)良性能，越來(lái)越受到世人關(guān)注[4]。但復(fù)合材料界面層間性能容易損傷，等離子體的出現(xiàn)能很好的解決這種問(wèn)題。本文主要介紹等離子體技術(shù)在表面改性的應(yīng)用。

1　等離子體表面處理在有機(jī)材料中的應(yīng)用

1.1 表面接觸角及表面能的變化

物體表面接觸角越小，其潤(rùn)濕性越好[5]。潤(rùn)濕是黏附的必要條件，材料表面經(jīng)等離子體處理后，由于含氧基團(tuán)被大量的引入，使得表面潤(rùn)濕性得到明顯改善，因此有利于表面黏黏附性增強(qiáng)[6]。

通常情況下，高分子材料經(jīng)過(guò)Ar、O2、N2等氣體等離子體處理后，會(huì)在表面引入─COO.H、─C==O、─NH2等基團(tuán)[7]，增加表面親水性[8～10]。

劉楊[11]研究了放電功率和時(shí)間對(duì)等離子體處理木粉/聚乙烯復(fù)合材料效果的影響。陶巖[12]以溫度作為影響因素，對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行等離子體表面處理。馬小青[13]用利用氧氣和氬氣分別對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進(jìn)行處理。周荃[14]用不同氣體組分（氬氣和氧氣的混合氣體）對(duì)氟橡膠和聚酯（PET）表面處理。他們的研究表明：通過(guò)等離子體表面處理可提升材料表面潤(rùn)濕性，而影響表面接觸角的因素很多，如放電時(shí)間、功率、處理氣體、氣壓等[15]。

1.2 表面顯微分析

高分子材料經(jīng)過(guò)等離子體處理后，表面粗糙度有不同程度的增加，是由于等離子體對(duì)材料表面有刻蝕作用，進(jìn)而影響液體在表面的吸附作用，最終使表面潤(rùn)濕性改變。

陳玉茹[16]等人采用Ar、O2兩種氣體對(duì)航空氟硅硫化橡膠表面進(jìn)行低溫等離子體處理。李皓[17]對(duì) C3D/ PEEK（三維編織碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮）復(fù)合材料進(jìn)行低溫空氣等離子體處理，處理后得出復(fù)合材料表面出現(xiàn)了明顯的微裂紋。表面粗糙度與等離子體處理時(shí)間密切相關(guān)，處理時(shí)間的越長(zhǎng)，表面粗糙度越大。

倪新亮、王長(zhǎng)全[18～19]等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)等離子體處理后，材料表面的化學(xué)成分發(fā)生了很大的變化，總體上是C元素相對(duì)含量減少，O元素的相對(duì)含量增加，C/O相對(duì)含量之比下降；并且材料表面的官能團(tuán)也有變化，材料表面C==O鍵和0==C—O鍵含量百分比增加，C、O雙鍵結(jié)合的比例提高，等離子體中的能量轉(zhuǎn)化到表面的化學(xué)鍵上。表面引入了大量的含氧官能團(tuán)，表面極性增強(qiáng)，潤(rùn)濕性顯著提升。

1.3表面黏結(jié)性

對(duì)高分子有機(jī)物進(jìn)行表面改性處理，最終目的是能夠增強(qiáng)表面黏結(jié)強(qiáng)度，通過(guò)表面潤(rùn)濕性、粗糙度、表面成分分析等方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)而論證材料表面黏結(jié)強(qiáng)度的改變。

唐麗華[20]用等離子體對(duì)聚四氟乙烯，功率的提高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)有利于 PTFE 剝離強(qiáng)度的提高。處理功率為 600 W時(shí)提高了42.8倍。劉呈坤[21]用等離子體處理聚酯織物對(duì)其T型剝離強(qiáng)度的影響，其強(qiáng)度隨處理時(shí)間延長(zhǎng)明顯增強(qiáng)。劉楊將等離子體處理前后的木粉/聚乙烯復(fù)合材料用丙烯酸酯膠黏劑和環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑進(jìn)行黏接，隨著等離子體放電功率的增大，黏接強(qiáng)度逐漸增大。

2　等離子體表面處理在復(fù)合材料中的應(yīng)用展望

等離子體處理在高分子材料、復(fù)合材料中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，并取得了一定的發(fā)展。但是，從文獻(xiàn)中查找只能發(fā)現(xiàn)等離子體表面處理只是在復(fù)合材料界面有大量的研究，先用等離子體處理纖維，再將處理后的纖維與基體進(jìn)行固化，而對(duì)于固化后的復(fù)合材料樹(shù)脂表面，這方面研究卻很少有報(bào)道。

通過(guò)等離子體處理其他有機(jī)物、聚合物和復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)可以使材料表面潤(rùn)濕性、粗糙度、黏結(jié)強(qiáng)度等均發(fā)生較明顯改觀，可以猜想這些分析所得的規(guī)律對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料同樣適用，這就為提高樹(shù)脂基復(fù)合材料表面黏結(jié)性奠定了基礎(chǔ)。因此，等離子體可以使復(fù)合材料表面表面改性和黏結(jié)性提高，具有很大的發(fā)展、應(yīng)用前景。

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(P-02)

Application of plasma surface treatment in organic polymer materials

TB324 O539

1009-797X(2016)14-0060-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.019

董懷斌（1992-），男，研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

2016-06-08