李琦嫻，楊建忠，焦海娟

(1.西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710021)

0 引言

玄武巖纖維是一種新興的無機(jī)高性能纖維，其主要成分為SiO2、A12O3[1-2]。 由于其良好的力學(xué)性能、耐高溫、絕緣等特性[3-4]，大量復(fù)合材料多以玄武巖纖維為增強(qiáng)體，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、軍工、航空航天、建筑等設(shè)施中[5-8]。

但由于玄武巖纖維表面光滑，粘結(jié)性能較差[9]，因此，對(duì)其的改性研究成為當(dāng)下的一個(gè)研究熱點(diǎn)[10]。 陳杰瑢等人預(yù)測(cè)了低溫等離子體干式加工技術(shù)在紡織工業(yè)中的應(yīng)用前景，并且能很大程度的保護(hù)環(huán)境[11]。 Abdel-Aleam H.Mohamed 等人通過設(shè)計(jì)一些特殊的電極結(jié)構(gòu)，使大氣壓下輝光放電成為可能[12]。 Denni Kurniawan 等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維/聚乳酸復(fù)合材料在超過1.5 分鐘的大氣壓等離子體處理表面后，機(jī)械性能會(huì)有一定程度的下降；但經(jīng)過4.5 分鐘后復(fù)合材料的強(qiáng)力及模量分別較未經(jīng)處理的纖維原樣提高了45%和18%[13]。 張曉英等人用殼聚糖對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行了改性，證明了其可以顯著改善生物膜的附著性能[14]。 Nour F Attia 等人開發(fā)了一種簡便而智能的無機(jī)纖維改性方法，使有機(jī)聚合物對(duì)玄武巖纖維和橡膠基體具有良好的相容性和界面粘合性[15]。

本文通過改變低溫等離子體設(shè)備參數(shù)對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，旨在研究使玄武巖纖維表面獲得最佳粗糙度并維持一定的強(qiáng)度，使得表面粘結(jié)力增強(qiáng)，從而使其在電工電子應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更優(yōu)異的力學(xué)性能。 實(shí)驗(yàn)以聚四氟乙烯(PTFE)膜為粘附基材，由于其為粘結(jié)性能最差的材料，一旦提高了與其的粘結(jié)性能，其他材料如電路板則可以更好的投入應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

玄武巖纖維有捻紗(型號(hào)BCT6，浙江石金玄武巖纖維有限公司，1dtex/20F)；聚四氟乙烯膜(型號(hào)：P4804-02-1EA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；環(huán)氧樹脂粘合劑(JD8695 雙液型，上海巨密實(shí)業(yè)有限公司)。

HD-1B 型輝光放電低溫等離子體儀(常州新區(qū)等離子體公司)；LLY-06EDC 型電子單纖強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)；JSM-6700F 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)；AXISULTRA 型X 射線光電子能譜儀(英國Kratos Analytical Ltd.)。

1.2 試樣制備

將玄武巖纖維紗剪成長度為5cm 左右的纖維束，將其置于去離子水中使其分散成單根纖維后于干燥箱內(nèi)烘干水分使纖維處于蓬松的狀態(tài)，溫度不高于200℃，平均分為11 組。 如下圖1 為進(jìn)行粘結(jié)性能測(cè)試的樣品，每個(gè)樣品中均有一根玄武巖單纖維。

圖1 粘結(jié)性能測(cè)試樣品

1.3 性能測(cè)試

以下實(shí)驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行。 采用低溫等離子體設(shè)備，反應(yīng)氣體為空氣，對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。 采用低溫等離子體設(shè)備在空氣條件下對(duì)纖維進(jìn)行表面處理，隨機(jī)取一組試樣置于反應(yīng)室，啟動(dòng)高壓泵將其抽真空至2Pa 左右，試樣做正交處理，參數(shù)設(shè)定為下表1：

表1 正交因素水平表

利用正交表確定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，采用L9(34)分配參數(shù)，得出具體實(shí)驗(yàn)方案。

1.3.1 粘結(jié)性能測(cè)試

單纖維拔出試驗(yàn)?zāi)芎喴子行У販y(cè)試剪切強(qiáng)度[16]。 拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定試片為20mm×10mm×0.127mm，采用單面搭接，搭接面長度約10mm±0.25mm，纖維頭端露出長度為5mm 左右，避免拉伸過程中纖維自身強(qiáng)力不勻造成先于抽拔瞬間斷裂。 拉伸速度設(shè)定為10mm/min，拉伸至纖維被完全抽拔出試片為止，記下單纖維拉伸試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)界面的破壞負(fù)荷，并計(jì)算剪切強(qiáng)度W，每組10 個(gè)樣。

圖2 反向剝離實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)無纖維的純粘合劑的參照試樣以及纖維原樣和處理后的纖維試樣在以PTFE 膜為基體、環(huán)氧樹脂粘合劑做粘附材料的復(fù)合材料進(jìn)行180°反向剝離后作剝離強(qiáng)力的測(cè)試，如上圖2 所示。 纖維與粘合劑的有效接觸長度均為10mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)試每組20 個(gè)樣，進(jìn)而計(jì)算剝離強(qiáng)度P[17]，其值為剝離力與試件寬度的比，單位為cN/mm。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

利用LLY-06EDC 型電子單纖強(qiáng)力儀測(cè)試各組單纖維強(qiáng)伸性能。 設(shè)置試驗(yàn)隔距為10mm，試驗(yàn)速度20mm/min，預(yù)加張力2cN，重復(fù)測(cè)試50 次。

1.3.3 XPS 元素分析

采用AXISULTRA 型X 射線光電子能譜儀對(duì)BF 原樣、輕微處理?xiàng)l件、最優(yōu)處理?xiàng)l件以及處理?xiàng)l件最劇烈的四種樣品進(jìn)行表征。 其化學(xué)鍵合狀態(tài)通過X 射線光電子能譜法進(jìn)行研究。 在功率為100W(10mA，10kV)、真空度為10-8Torr 條件下，光譜由一束Al Kα(1486.71eV)的單色光激發(fā)獲得，電荷中和劑用來補(bǔ)償表面電荷效應(yīng)，并且結(jié)合能由峰值為284.8eV 的C1s 峰來校準(zhǔn)。

1.3.4 表面形貌觀測(cè)

采用JSM-6700F 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)原樣、輕微處理、處理效果最優(yōu)以及處理?xiàng)l件最強(qiáng)的四組纖維進(jìn)行表觀形貌觀測(cè)，觀測(cè)前需對(duì)玄武巖纖維表面做噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘結(jié)性能分析

玄武巖纖維的粘結(jié)性能可由纖維的界面剪切強(qiáng)度W 以及剝離強(qiáng)度P 等表征[18]，具體分析如下。 表2 為測(cè)試并計(jì)算得出的各因素正交水平及結(jié)果。

表2 各因素正交水平及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加纖維的樣品比無纖維的純粘合劑樣品剝離強(qiáng)力有明顯提高，且最大增率(2#)為105.21%，剝離強(qiáng)力較未處理的原樣(0#)也提高了92.79%。 起初由于粘合劑被剝離，玄武巖纖維同時(shí)開始受力剝離強(qiáng)力緩緩增大，增大至最大值后剝離強(qiáng)力趨于穩(wěn)定值，受粘合劑及纖維表面粘結(jié)性能共同影響，當(dāng)玄武巖纖維伸長率不能配合粘合劑伸長時(shí)發(fā)生斷裂，此時(shí)剝離強(qiáng)力出現(xiàn)驟降，亦表明低溫等離子體處理會(huì)對(duì)玄武巖纖維表面的粘結(jié)性能有影響。 單纖維剪切強(qiáng)度最高的是2#，較未處理的0#提高了128.22%。 如下表3 為針對(duì)剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度做的極差分析，分別為各n 因素各j列所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和的平均值，Rj為各j 列的極差。 Rj越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，即可以判斷因素的主次。

表3 玄武巖纖維的粘結(jié)性能極差分析

由剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的R 值分析，低溫等離子體處理?xiàng)l件主次因素按順序均為A＞C＞B，即放電功率對(duì)其影響較大，放電氣壓的影響次之，放電時(shí)間的影響最小。 按剝離強(qiáng)度，最佳試驗(yàn)方案為A1B3C2；按剪切強(qiáng)度，最佳試驗(yàn)方案為A1B2C2。 因此根據(jù)粘結(jié)性能測(cè)試最佳試驗(yàn)方案只能先確定功率為225Pa，氣壓C 為20Pa，需對(duì)纖維的強(qiáng)伸性能作進(jìn)一步的分析。

2.2 強(qiáng)伸性能分析

選擇氣壓20Pa；低溫等離子體設(shè)備放電功率分別為100W、150W、200W、250W、300W 對(duì)纖維進(jìn)行處理。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著功率的增大，纖維強(qiáng)力逐漸降低，是由于纖維表面被刻蝕出現(xiàn)凹坑、裂痕，導(dǎo)致被拉伸時(shí)受力不均使得強(qiáng)力降低，但強(qiáng)力損失不明顯，表明低溫等離子體處理并不會(huì)對(duì)纖維強(qiáng)力造成太大損失，只是對(duì)表面進(jìn)行輕微刻蝕。 當(dāng)功率100W 時(shí)，纖維強(qiáng)力下降不是很明顯，但表面摩擦系數(shù)相對(duì)較小，摩擦性能相對(duì)較差；而當(dāng)功率為250W作右時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)力相對(duì)較大且摩擦性能較好。綜上如下圖3 分析，最佳處理功率在250W 左右。

圖3 氣壓為20Pa 時(shí)單纖維功率—力學(xué)性能關(guān)系圖

圖4 功率為250W 時(shí)單纖維功率—力學(xué)性能關(guān)系圖

當(dāng)放電功率為250W 時(shí)，由上圖4 分析：當(dāng)放電時(shí)間為3min 時(shí)，BF 強(qiáng)力維持較好，較BF 原樣僅降低約7.03%；放電時(shí)間達(dá)5min 及較長發(fā)現(xiàn)纖維斷裂強(qiáng)力損失較大損失率高達(dá)23.78%。 因此得出，低溫等離子體對(duì)纖維處理時(shí)間不易過長。 但是從摩擦性能的角度，5min 時(shí)，靜摩擦系數(shù)最大，纖維表面最粗糙，強(qiáng)伸性能總體最好。

2.3 SEM 掃描電鏡分析

如下圖5 依次為四個(gè)樣品的SEM 圖像，其放大倍數(shù)均為2×104倍。

圖5 各試樣SEM 圖像

上圖5 依次為原樣、輕微、最優(yōu)以及處理?xiàng)l件最強(qiáng)烈的四個(gè)樣品的放大倍數(shù)分別為兩萬倍的SEM 圖像。 由其分析得，可以看出未經(jīng)等離子體處理的纖維表面光滑，基本沒有瑕疵；經(jīng)275W，5min，15Pa 處理后表面仍然光滑但稍有刻蝕，為星星點(diǎn)點(diǎn)的點(diǎn)狀凹陷并出現(xiàn)粒狀突起；經(jīng)225W，5min，20Pa 處理后表面不再光滑并出現(xiàn)更密集大面積的點(diǎn)狀刻蝕，表明處理后的纖維表面變粗糙，直接增大纖維表面幾何接觸面積，提高親水性，且沒有出現(xiàn)裂紋或鱗片導(dǎo)致纖維強(qiáng)力不勻從而降低纖維斷裂強(qiáng)力，確實(shí)為最佳處理狀態(tài)；經(jīng)275W，6min，15Pa 處理后出現(xiàn)鱗片狀刻蝕并帶有包狀突起，為強(qiáng)力弱節(jié)，纖維整體強(qiáng)力出現(xiàn)不勻，從而會(huì)降低纖維強(qiáng)力。 觀測(cè)結(jié)果表明與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。

3 結(jié)果與討論

玄武巖纖維經(jīng)低溫等離子體設(shè)備處理后表面變粗糙，不同處理?xiàng)l件下的剝離強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均較未處理的原樣有所增加，從而提高了與其他材料復(fù)合時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度；強(qiáng)伸性能有一定的減弱，但是影響不大；且由SEM 圖像表征驗(yàn)證分析驗(yàn)證，經(jīng)225W，5min，20Pa 處理后纖維粗糙度最佳，綜合強(qiáng)伸性能及粘結(jié)性能分析，因此該條件下粘結(jié)性能最好。 綜上最適宜的低溫等離子體處理?xiàng)l件為放電功率為225W、放電時(shí)間為5min、氣壓為20Pa。