常压等离子体改性苎麻增强热塑性树脂基复合材料界面性能的研究

摘要

天然植物纤维增强热塑性树脂基复合材料由于成本低、成型快、轻质高强、抗冲击、耐酸碱及可回收等优点而备受关注。我国天然纤维尤其是麻类纤维资源丰富，其中苎麻产量世界第一，如能将其开发为高附加值的增强纤维很有意义。但是苎麻纤维亲水性的表面与热塑性树脂基体疏水性的表面极性差别大，两者之间相容性差使得其界面粘结性能差，负载不能有效地通过界面传递，造成复合材料整体性能下降。目前常使用的界面改性方法虽能取得一定效果，但是处理效率低、能源消耗高、对纤维损伤大，且废弃物的处理污染环境，不符合当今可持续发展的理念，因此对环境友好、可操作性强、处理效率高且对纤维损伤小的等离子体技术在材料表面改性领域研究中的关注度与日俱增。如能将等离子体技术运用于植物纤维的表面改性，提高植物纤维增强复合材料的界面性能，极有发展前景。
　　但是，大部分等离子体处理都是在低气压的条件下进行，而抽真空系统成本高，处理不连续，加上抽真空处理对于一些含液体的样品难以实施，使得等离子体技术的应用受到了一定的限制。因而国际上正积极研究不需要真空系统的常压等离子体技术，目前主要有两种：常压等离子体射流（APPJ）和常压介质阻挡放电（DBD）等离子体。
　　本课题采用常压APPJ和DBD设备，以苎麻纤维和苎麻织物为研究对象，系统地研究了常压等离子体技术对苎麻纤维表面性能的影响；等离子体处理参数对改性效果的交互作用；等离子体对苎麻纤维改性的时效性；等离子体对苎麻织物的改性以及对苎麻织物增强聚丙烯复合材料界面性能及力学性能的影响。围绕该主题，本文开展的主要工作如下：
　　（1）采用常压DBD等离子体对苎麻纤维表面进行改性，选用聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为热塑性树脂基体。分别采用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、纤维动态接触角分析（DCAA）以及单纤维拉伸强度测试等考察了等离子体处理对苎麻纤维表面形貌、表面化学成分、表面亲水性能的改变以及对苎麻纤维强度的影响，采用单纤维抽拔测试来检测苎麻纤维与PBS树脂的界面剪切强度（IFSS）。研究结果表明：经等离子体处理后，苎麻纤维表面变得粗糙并出现了许多明显的颗粒、微坑和凸起，增加了纤维表面与PBS的机械锁合作用。纤维表面碳元素含量以及C-C基团含量明显提高，纤维接触角也明显提高，苎麻与PBS树脂间的IFSS值增幅最高约46％，苎麻纤维的拉伸强度没有出现显著性减小。同时发现等离子体处理电压对苎麻纤维的表面改性有显著性影响：当处理电压低于一定阈值时，等离子体对苎麻纤维几乎起不到改性效果；而处理电压过高时，则会破坏改性效果，因此应合理选择等离子体处理参数。
　　（2）常压等离子体处理参数对材料表面改性效果通常有显著性影响，而等离子体各处理参数对改性效果的影响不是独立的，参数间往往有交互作用。为了研究常压等离子体处理参数对苎麻纤维表面改性效果的综合影响，设计改进了一种新型的常压DBD等离子体设备对苎麻纤维表面进行改性，使用中心复合设计（CCD）响应面法（RSM）对等离子体处理参数进行设计，在单因素实验研究基础上，选定3个影响较大的因素（处理电流、处理时间、乙醇气体流速）作3因素5水平实验来考察处理参数对等离子体改性苎麻纤维的协同作用，共有15组实验处理参数。分别采用场发射扫描电镜（FESEM）、XPS、DCAA考察了苎麻纤维表面形貌、表面化学成分及表面亲水性能的变化；由单纤维抽拔测试获得苎麻纤维与聚丙烯树脂基体间的IFSS值；由四极杆质谱分析仪来测试等离子反应室内的气体成分。研究表明：等离子体处理参数间存在交互作用，在处理电流（10 mA），处理时间（5 min）及乙醇流速（8 sccm）的等离子体处理参数下，苎麻与聚丙烯间的IFSS增幅值为最高约为50%，而且流速是对改性效果影响最显著的因素。由质谱分析发现，乙基基团浓度较高的组，其相应的DCAA值和IFSS值也大多比较高，说明乙基的浓度与等离子体对苎麻纤维的改性效果紧密相关。此外，本实验中在原有的气体通道外另增加了一个通道，这种对传统等离子体设备的改良方法可以控制和按需调节处理气体成分比，对提高等离子体处理效果的重复性和稳定性很有帮助。
　　（3）常压等离子对材料表面改性的主要问题是等离子体的时效性，即改性后的材料表面状态会慢慢回复到未改性水平。由于改性后的材料在等待应用过程中还可能会经过相当长的一段时间，因此时效性研究成为了等离子体对材料表面改性研究领域必不可少的内容。为了进一步研究常压等离子体对苎麻纤维的表面改性效果是否存在时效性，使用常压等离子体射流（APPJ）设备对苎麻纤维表面进行处理，并在150天内每隔一定时间分别对纤维进行测定，采用SEM、XPS、纤维接触角测试等分析技术考察苎麻纤维的表面形貌、表面化学成分及表面亲水性能的变化；采用单纤维抽拔测试对苎麻纤维及聚丙烯树脂间的IFSS值进行测定；并采用SEM对单纤维抽拔测试后的苎麻纤维表面脱粘区域形貌进行分析。研究表明：在150天内，苎麻纤维表面化学成分中碳氧元素及各基团的含量较为稳定，而表面亲水性、苎麻/聚丙烯的IFSS值以及苎麻纤维脱粘形貌未见明显变化，即常压等离子体处理将亲水性的苎麻表面改性为疏水性后，其表面未见明显的亲水性回复，因此常压等离子体处理可被用作一种改性效果较为稳定和持久的材料表面改性方法。
　　（4）使用常压DBD等离子体对苎麻织物表面进行改性，使用热压法制备苎麻织物增强聚丙烯复合材料板，以研究常压等离子体改性前后苎麻织物表面性能以及其增强聚丙烯复合材料界面性能和力学性能的改善。采用SEM、XPS、表面接触角测试来分别考察苎麻织物的表面形貌、化学成分及表面亲水性能的变化；并采用SEM来观察经层间剪切强度（ILSS）测试后的织物表面脱粘区域形貌；采用ILSS测试、弯曲强度测试和拉伸强度测试来分别检测等离子体改性前后的复合材料剪切性能、弯曲性能和拉伸性能。通过SEM分析发现，经常压等离子体改性后，苎麻纤维表面粗糙度增加，改性后的苎麻织物增强聚丙烯复合材料的界面剪切破坏模式由粘合破坏转变为了内聚破坏，剪切破坏区域纤维表面粘附了大量聚丙烯树脂，纤维与树脂基体间的结合性能改善，是较为理想的界面破坏模式。通过 XPS和接触角测试表明，常压等离子体处理后苎麻织物表面的碳元素比例大幅度上升，氧碳元素比例降低，苎麻织物表面接触角明显增加，表明等离子体处理在苎麻织物表面引入了疏水性基团。复合材料的力学性能测试表明，改性后苎麻织物增强复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度都有显著提高，提高幅度最高分别为39%，28%和20%。

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第一章 绪论

1.1 等离子体基本概念

1.2 苎麻增强复合材料

1.3 复合材料的界面

1.4 本课题研究意义与主要内容

参考文献

第二章 常压等离子体处理对苎麻纤维表面性能的影响

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 响应面法研究常压等离子体处理参数对苎麻纤维改性效果的影响

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章 常压等离子体对苎麻纤维改性效果的时效性研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 常压等离子体改性苎麻织物增强聚丙烯复合材料界面性能的研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

攻读博士学位期间发表论文