武昊巖,謝光銀

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710048)

滌綸纖維又稱聚酯纖維,具有熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高及耐腐蝕的特點(diǎn)[1-2]。要獲得合格的復(fù)合材料,基體相與增強(qiáng)體相之間的界面是一大重點(diǎn),因此需要通過改性的方法提高纖維的粘合性能,以改善其與基體相之間的粘結(jié)性能[3]。

纖維表面改性方法主要有堿處理[4]、等離子體處理[5-6]、接枝改性處理[7-8]、生物酶處理[9]、復(fù)合膜處理[10]等。低溫等離子體改性是一種廣泛應(yīng)用于纖維和織物的物理改性手段,屬于干式工藝,有著處理過程簡(jiǎn)便、成本低廉、節(jié)能高效、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)[11-14]。Junkar[15]采用非均衡氧等離子體對(duì)滌綸表面性能進(jìn)行改性。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體處理后的滌綸纖維相較于未改性纖維,富氧官能團(tuán)得到大量提升。李宏英[16]等使用等離子體粒子束輻射照射的方法進(jìn)行了改性研究,結(jié)果表明改性改善滌綸的親水性。張春明等[17]針對(duì)滌綸的浸潤(rùn)性,探討了常壓-空氣等離子體處理的時(shí)效性。N.INA-GAKI等[18]利用Ar等離子體進(jìn)行滌綸表面改性,通過XPS光譜分析后發(fā)現(xiàn)其表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,通過測(cè)試接觸角,得出改性顯著改善了其親水性的結(jié)論。Young Jin Kim等[19]利用氧氣等離子體處理,再經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)來改變滌綸的表面結(jié)構(gòu)達(dá)到改變其血液相容性的效果。NORIHIRO INAGAKI等[20-21]通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了等離子體改性滌綸表面的顯著效果。

為改善滌綸作為復(fù)合材料增強(qiáng)體時(shí)界面的粘結(jié)性能,采用空氣等離子體對(duì)高強(qiáng)滌綸纖維進(jìn)行表面處理,選用放電功率、處理時(shí)間、放電壓強(qiáng)3個(gè)因素設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn),分別測(cè)試其力學(xué)性能和表面摩擦性能,通過正交試驗(yàn)極差分析法確定出最優(yōu)處理?xiàng)l件。以此為依據(jù),分別對(duì)未處理、預(yù)處理和經(jīng)過等離子體處理的高強(qiáng)滌綸纖維進(jìn)行一系列性能表征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原料及設(shè)備

1.1.1 原料

高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲(165 tex,東莞市紅力纖實(shí)業(yè)有限公司),丙酮(西安科洛化玻儀器),蒸餾水(自制)。

1.1.2 儀器

HD-1B低溫等離子儀(常州新區(qū)等離子體公司),LLY-088單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司),Y151纖維摩擦系數(shù)儀(常州第二紡織機(jī)械有限公司),Quanta-450-FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)(美國(guó)FEI公司),OCA40Micro全自動(dòng)單一纖維接觸角測(cè)量?jī)x(Dataphysics Instrument Gmbh),Spotlight 400Frontier傅里葉變換紅外光譜儀(Perkin Elmer),DHG-9075A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司),KQ3200E超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.2 預(yù)處理

(1)原理 利用超聲波在液體中的空化作用對(duì)污物產(chǎn)生直接或間接的作用,使待清洗物體表面的污物分解、乳化和剝離,實(shí)現(xiàn)去除表面污物的目的。采用丙酮對(duì)纖維進(jìn)行清洗,其揮發(fā)性、溶解性較好,可以去除纖維表面的油脂、各種溶劑、酸及低分子聚合物等。

(2)方案 將高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲浸入丙酮溶液中,封住杯口,超聲清洗2 h后取出,用蒸餾水反復(fù)清洗后放入烘箱烘干備用。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3因素3水平的正交試驗(yàn),見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

2 正交試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

單絲強(qiáng)度的測(cè)試,參照ISO 11566-1996《纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試》,在萬能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行,測(cè)試標(biāo)距為25 mm,樣本容量為50根,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

2.2 極差分析

由表3可知,影響滌綸纖維斷裂強(qiáng)力的因素影響程度排列為B＞A＞C,要求斷裂強(qiáng)力越大越好,故優(yōu)化方案為A3B1C1。

表3 滌綸斷裂強(qiáng)力極差分析

由表4可知,影響滌綸靜摩擦系數(shù)的因素影響程度排列為B＞C＞A,要求靜摩擦越大越好,故優(yōu)化方案選A2B2C3。結(jié)合斷裂強(qiáng)力各因素影響程度的分析,最終對(duì)高強(qiáng)滌綸纖維的等離子體改性條件選為A3B1C3,即功率150 W,處理時(shí)間180 s,放電壓強(qiáng)30 Pa。

表4 滌綸靜摩擦系數(shù)極差分析

3 性能表征與分析

3.1 纖維單絲強(qiáng)力與靜摩擦系數(shù)

由表2可以看出,經(jīng)過丙酮預(yù)處理的高強(qiáng)滌綸纖維,其單纖維斷裂強(qiáng)力與原樣基本保持一致,且靜摩擦系數(shù)有一定程度的增大,表明預(yù)處理對(duì)纖維本身基本沒有損傷,并清理了纖維表面附著的油脂等雜質(zhì)。

經(jīng)過等離子體最優(yōu)方案處理的滌綸纖維,測(cè)得其斷裂強(qiáng)力為73.58 c N,較原樣下降了1.78%,這是由于表面刻蝕處理使得纖維表面出現(xiàn)小的凹槽,使其斷裂強(qiáng)力有一定的下降,但下降程度并不大。測(cè)得其靜摩擦系數(shù)為0.328,較原樣上升了21.9%,表明等離子體處理對(duì)滌綸纖維造成了一定的刻蝕效果,使其斷裂強(qiáng)力略有下降并較大程度地改善了其表面結(jié)構(gòu),有利于與樹脂進(jìn)行復(fù)合。

3.2 纖維表面形態(tài)

使用Quanta-450-FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)未處理、預(yù)處理和最佳條件等離子體處理的滌綸和芳綸表面形態(tài)進(jìn)行觀察,加速電壓采用20.00 k V,放大倍數(shù)為6 000倍。掃描電鏡的結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,滌綸纖維原樣表面有明顯的雜質(zhì)附著,而預(yù)處理后的試樣表面有所改善,表明丙酮預(yù)處理清除了纖維表面的油脂等雜質(zhì)。而經(jīng)過等離子體處理的滌綸纖維表面產(chǎn)生了凹凸不平的坑槽,這是由于刻蝕而產(chǎn)生的氣態(tài)物質(zhì)在等離子體環(huán)境中受到活性粒子的作用,又會(huì)返回到材料表面形成凸?fàn)畛练e物,這些凹坑和沉積物共同使得纖維表面的粗糙度明顯提高,從而增大了纖維的比表面積,提高了復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度。

3.3 纖維表面浸潤(rùn)性

纖維接觸角θ是描述纖維潤(rùn)濕能力或潤(rùn)濕程度的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于同一種液體,固體表面能越大,θ越小,潤(rùn)濕性越好。使用全自動(dòng)單一纖維接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)改性前后的纖維接觸角進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見表5。

圖1 滌綸纖維電鏡照片

表5 改性前后的纖維接觸角

在經(jīng)過等離子體改性后,纖維接觸角相較于原樣下降了27%。這是由于纖維表面一方面產(chǎn)生了一些親水性基團(tuán),另一方面也發(fā)生了一定程度的刻蝕,兩種因素的共同作用使得處理后的纖維表面浸潤(rùn)性提高。

3.4 傅里葉紅外光譜

使用Perkin Elmer公司的Spotlight 400Frontier型傅里葉變換中紅外/近紅外雙波段圖像分析儀對(duì)纖維原樣和最優(yōu)條件改性后的試樣進(jìn)行紅外光譜分析。

圖2為滌綸纖維原樣的紅外光譜圖,由紅外光譜數(shù)據(jù)分析并結(jié)合文獻(xiàn)[22-23],可以確定滌綸纖維分子結(jié)構(gòu)中各部分的特征吸收峰位置：1 713 cm-1處的吸收峰歸因于羧基的C=O伸縮振動(dòng),1 242 cm-1處的吸收峰歸因于醇基的-CH2面外搖擺振動(dòng),1 096 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于羧基的C-O伸縮振動(dòng),722 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于醇基的O-H面外彎曲振動(dòng)。

圖2 滌綸纖維原樣的紅外光譜

圖3 纖維原樣與最優(yōu)改性后試樣的紅外光譜

圖3為纖維原樣與最優(yōu)改性后試樣的紅外光譜對(duì)比,可以看到在1 713 cm-1和722 cm-1處等離子體改性的試樣相對(duì)于原樣的峰值略有增加,進(jìn)一步說明了等離子體處理為滌綸纖維表面引入了一些活性基團(tuán),而其余譜帶位置和形狀基本一致,證明了等離子體改性在刻蝕纖維表面、改善纖維粘結(jié)性能的同時(shí)并未破壞高強(qiáng)滌綸纖維的內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

采用等離子體處理的方式對(duì)高強(qiáng)滌綸纖維進(jìn)行表面改性,通過單纖強(qiáng)力測(cè)試和靜摩擦系數(shù)的測(cè)定結(jié)果證實(shí),等離子體改性由于對(duì)纖維表面造成了刻蝕,使得單纖維強(qiáng)力相較原樣有輕微下降并較大程度提高了其表面粗糙程度；通過SEM測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),改性對(duì)滌綸纖維表面造成了明顯的刻蝕并在表面產(chǎn)生溝槽,增大了纖維的比表面積,使之在與樹脂復(fù)合時(shí)的接觸面積提高,提高了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度；浸潤(rùn)性測(cè)試結(jié)果表明,改性后纖維的浸潤(rùn)性得到改善；通過傅里葉紅外光譜分析得到,等離子體處理使得纖維表面引入了一些親水性基團(tuán),并在整體上未對(duì)纖維分子結(jié)構(gòu)造成破壞。