（材料加工工程专业论文）采用介质阻挡放电低温等离子体技术改性对位芳纶表面.pdf

东华大学学位论文原创性声明i 掣l l l1 2 i12i1 7 u 1 9 l14ll型ill 攀 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：触 日期： 2 们专 年d 1 月) 苔 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密彤 v 学位论文作者签名： 乃贝如岛 十7 日期：加弓年j7 日 指导教师签名：3 童芫 日期：2 0 仔年f 月fg 日 第季乏学 嘴血啊一仃 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 采用介质阻挡放电低温等离子体技术改性对位芳纶表面改性 的探究 摘要 对位芳纶是一种具有高结晶度和高取向度的链状高分子材料。由 于它具有低密度，高强度，出色的热稳定性能，抗化学腐蚀和抗冲击 性能，因而被作为增强材料广泛应用于航空航天和船舶制造等领域。 由于其表面光滑且化学惰性，纤维表面和树脂基体的粘结性能非常有 限，亲水性能很差，这也限制了其在复合材料领域的应用。因此，对 位芳纶的表面改性成为了必须。本论文着重探究了介质阻挡放电低温 等离子体技术对对位芳纶表面的改性。实验采用了氩气、氩气氧气、 氩气氮气、氦气氧气等多种气氛，探究了处理功率，处理时间，气 氛流量对芳纶表面改性的影响。此外，还初步研究了介质阻挡放电等 离子体技术的时间效应。 论文第一章为综述部分，第二至第五章为实验主体部分。其中第 一章主要综述了介质阻挡放电应用于芳纶表面改性研究的最新进展， 介绍了介质阻挡放电的机理、特点以及国内主要的介质阻挡放电等离 子体的设备。此外，论文还介质阻挡放电对芳纶表面性能的改善，诸 如亲水性能和粘结性能。 论文第二章主要研究了氩气等离子体介质阻挡放电处理对位芳纶 表面对纤维表面粘结性能和亲水性能的影响，实验主要集中于探究三 麟 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究诲五翻一仃介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 参量，包括处理功率，处理时间以及氩气的流量，从而得到最优工艺 参数。实验表明：当处理工艺参数为3 0 0 w ，6 0 s ，2 l m i n 。1 时，芳纶表 面的界面剪切强度( i f s s ) 提高了2 8 ，取得最佳值。除此之外，经 过氩等离子体处理后，芳纶表面的极性元素含量、极性官能团含量和 表面粗糙程度都明显增加，从而纤维表面亲水性能和接触角都有所提 高。但是，实验结果也表明过高的功率，过长的处理时间和过大的氩 气流量都会过度破坏纤维表面从而削弱表面改性的效果。 论文第三章主要探究了不同气氛介质阻挡等离子体放电对芳纶表 面改性的探究。在a r ，a r 0 2 ，a r n 2 等不同气氛介质阻挡等离子体的 处理下，探究芳纶表面所产生的不同作用效果机理，同时考察了0 2 和n 2 的流量对芳纶表面作用效果的影响。采用了微脱胶法、接触角 测试、x 射线光电子能谱( x p s ) 以及原子力显微镜( a f m ) 分别对 处理后的芳纶纤维表面黏结性能、亲水性能、表面元素和官能团的变 化以及表面粗糙程度的变化进行了比较。结果表明：对纤维表面的改 性是由刻蚀作用还是活性基团占主导，和放电气体的种类密切相关， 而通入气体的含量也会影响表面改性的处理效果。 论文第四章初步研究了介质阻挡放电等离子体技术的时间效应， 芳纶经过纯a r ，a r 0 2 ，a r n 2 处理后，随着放置时间的延长，芳纶表 面的粘结性能，亲水性能均会有所下降，而且在纯心处理后表面性 能下降最为明显。芳纶表面的极性元素和极性官能团含量放置4 周 后，会有所减少，但是无论a r ，a r 0 2 ，a r n 2 等离子体处理后，随着 尊季天学 诚五啊腿缸仃 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 时间的延长具有趋同性。比较纯a r ，a r 0 2 ，a r n 2 三种气氛对芳纶表 面改性时间效应的影响，在纯a r 中加入第二种气体，无论是0 2 或者 是n 2 ，均会对抵抗时间效应有一定的帮助，而当第二气氛为n 2 时， 效果更加明显。 论文第五章探究了氦气氧气对对位芳纶表面改性，相比于氩气， 氦气热系数大，在同样的电流和电压下，氦气产生的温度高，发热大 而且集中，因此在介质阻挡改性过程中会产生更加好的效果。在本章 中探究了处理功率，处理时间和氦气氧气流量对芳纶表面性能均有 比较明显的影响，经过等离子体处理，芳纶和树脂体系的界面剪切强 度增加，芳纶的亲水性能增加，而且经过氦气氧气等离子体处理后， 相比于氩气体系，芳纶表面产生了更多的沟壑。实验结果表明，芳纶 经过等离子体处理后，最佳实验条件为处理功率3 0 0 w ，处理时间9 0 s ， 氦气氧气流量为3 0 0 3 l m i n 。 关键字：对位芳纶；介质阻挡放电；等离子；时间效应；表面改姓 幕季天学 懿ng 曩，旺臌f 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 r e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e l o w t e m p e r a t u r et e c h n i q u ei ns u r f a c em o d i f i c a t i o no f p a r a a r a m i df i b e r s a b s t r a c t p a r a a r a m i df i b e ri sac o m p o u n dl i n e a rc h a i nm a c r o m o l e c u l em a t e r i a lw h i c hh a s h i g hc r y s t a l l i z a t i o na n dh i g ho r i e n t a t i o n a si th a st h ep r o p e r t i e so fl o wd e n s i t y ，h i g h s t r e n g t h ，g o o dt o u g h n e s s ，e x c e l l e n tt h e r m a l r e s i s t a n c e ，c h e m i c a lc o r r o s i o n - r e s i s t a n c e a n dg o o di m p a c tr e s i s t a n c e ，p a r a a r a m i df i b e rh a sb e e nw i d e l yu s e da sa nr e i n f o r c e c o m p o s i t em a t e r i a l i nt h ef i e l d so fa v i a t i o n ，a u t o m o b i l e ，s h i p b u i l d i n g h o w e v e r ， o w i n gt ot h es m o o t hs u r f a c ea n dc h e m i c a li n e r t n e s s ，t h ef i b e r i n t e r f a c i a l a d h e s i v e p e r f o r m a n c ew i t ht h er e s i ni sl i m i t e da n dt h ew e t t a b i l i t yp r o p e r t i e so ft h ef i b e ra r el o w ， w h i c ha r et od i s a d v a n t a g eo fi t sa p p l y i n gt ot h ec o m p o s i t em a t e r i a l s s ot h es u r f a c e m o d i f i c a t i o no ft h ep a r a - a r a m i df i b e r sb e c o m e sam u s t t h ep a p e ri sf o c u s e do nt h e a p p l i c a t i o no fd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g el o wt e m p e r a t u r et e c h n i q u e i ns u r f a c e m o d i f i c a t i o no fp a r a a r a m i df i b e r s t h ee x p e r i m e n t sa d o p ta r g o n ，a r g o n o x y g e n ， a r g o n n i t r o g e n 、h e l i u m o x y g e n ，a n dr e s e a r c ho n t h ee f f e c to ft r e a t e dp o w e r ，t r e a t e d t i m ea n df l u x i na d d i t i o n ，t h et i m ee f f e c to ft h ed i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g eh a sb e e n d e t e c t e di nt h ep a p e r t h ef i r s tc h a p t e ro ft h ep a p e ri sar e v i e w ，a n dt h em a i ne x p e r i m e n tp a r t sa r ef r o m c h a p t e r2t oc h a p t e r5 i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h er e c e n tr e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a t i o no f d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) t e c h n i q u ei ns u r f a c em o d i f i c a t i o no f a r a m i df i b e r s w e r es u m m a r i z e d ，t h em e c h a n i s m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a i nd o m e s t i c d e v i c e so ft h ed b dt e c h n i q u ew e r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，t h ep a p e rh a sab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h ew e t t a b i l i t ya n da d h e s i v ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fa r a m i d f i b e rt h r o u g hd b d p l a s m as u r f a c em o d i f i c a t i o n t h ec h a p t e rt w oi sf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo fa r g o nd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e o 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 p l a s m ao nt h ea d h e s i v ep e r f o r m a n c ea n dw e t t a b i l i t yo fp a r a a r a m i df i b e r sa n dt h r e e p a r a m e t e r si n c l u d i n gt r e a t e dp o w e r ，e x p o s u r et i m ea n da r g o nf l u xw e r ed e t e c t e d t h e i n t e r f a c i a ls h e a rs t r e n g t h ( i f s s ) w a sg r e a t l yi n c r e a s e db y2 8 w i t h3 0 0 w ，6 0 s ， 2 l m i n a r g o n f l u x p l a s m a t r e a t m e n t t h ec o n t e n to f o x y g e n a t o ma n d o x y g e n c o n t a i n i n gp o l a rf u n c t i o n a lg r o u p sw e r ee n h a n c e da f t e rt h ea r g o np l a s m a t r e a t e ds oa st h es u r f a c er o u g h n e s s ，w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ei m p r o v e m e n to fs u r f a c e w e t t a b i l i t ya n dt h e d e c r e a s eo fc o n t a c t a n g l ew i t hw a t e r h o w e v e r ，l o n g t i m e e x p o s u r e ，e x o r b i t a n tp o w e ro ro v e r l a r g ea r g o nf l u xc o u l dp a r t l yd e s t r o yt h ep r i o r e f f e c t so ft h et r e a t m e n ta n dd a m a g et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i b e r st os o m e d e g r e e i nc h a p t e rt h e r e ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp l a s m a si n c l u d i n ga r ，a t q 2a n da r n 2a s w e l la st h e i rf l u xo nt h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fa r a m i df i b e ra r es t u d i e d m i c r o b o n d t e s t ，c o n t a c ta n g l ea n a l y s i s ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) a n da t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) a r eu t i l i z e dt oc h a r a c t e r i z ea n dc o m p a r et h ev a r i a t i o n so fs u r f a c e a d h e s i o n ，w e t t a b i l i t y ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n a lg r o u p sa n ds u r f a c er o u g h n e s s o ft r e a t e da r a m i df i b e r s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h et y p eo fp l a s m a s a n dt h e i rf l o wr a t ew o u l db o t hi n f l u e n c et h ee f f e c t so fs u r f a c em o d i f i c a t i o n ，w h i c h d e t e r m i n e sw h e t h e rt h es u r f a c ee t c h i n go rt h ea c t i v a t i n go ff u n c t i o n a lg r o u p sp l a y s d o m i n a n tr o l ei nt h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fa r a m i df i b e r s i nc h a p t e rf o u r ，t h et i m ee f f e c to fd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ep l a s m at e c h n i q u e i sd e t e c t e d a f t e r a r ，a r 0 2 ，a r n 2t r e a t m e n t ，t h ea d h e s i v ea n dw e t t a b i l i t y p e r f o r m a n c ew o u l db ew o r s ew i t ht h ee x t e n s i o no fs t a n d i n gt i m e a n dt h ed e c r e a s eo f p e r f o r m a n c ew o u l db em o s ts e r i o u sw i t ht h ep u r ea rp l a s m at r e a t m e n t t h ep o l a r e l e m e n t sa n dp o l a rf u n c t i o n a lg r o u p sc o n t e n t sw o u l db ed e c r e a s e da f t e r4w e e k s ，a n d w h a t e v e rp l a s m at y p e sw o u l dc o n t r i b u t et ot h es a m et r e n d c o m p a r et ot h ep u r ea r p l a s m at r e a t m e n t ，w h e nt h es e c o n dg a s e sa d dt ot h ea r g o n ，n om a t t e ri ti s0 2o rn 2 ， w o u l ds l o wd o w nt h et i m ee f f e c tt os o m e d e g r e ee s p e c i a l l yt h en 2 i nc h a p t e rf i v e ，i ti sf o c u s e do ni n f l u e n c eo fh e l i u m o x y g e nd i e l e c t r i cb a r r i e r v 麟 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 d i s c h a r g e ( d b d ) p l a s m ao nt h ea d h e s i v ep e r f o r m a n c eb e t w e e nf i b e ra n dm a t r i x ，t h e w e t t a b i l i t yp r o p e r t yo fp a r a - a r a m i df i b e r s c o m p a r et oa t , h e h a st h eh i g ht h e r m a l c o e f f i c i e n t ，a n dw i t ht h es a m ec u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h eh e l i u mw o u l dp r o d u c em o r e h e a ta n dh i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hw o u l dc a u s eb e t t e ri m p r o v e m e n tw i t ht h es u r f a c e p e r f o r m a n c e t h r e ep a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sa r t i c l ei n c l u d i n gt r e a t m e n t p o w e r , e x p o s u r et i m ea n dh e l i u m o x y g e nf l u x t h eo p t i m u me x p e f i m e n t a lc o n d i t i o n w a s3 0 0 w , 9 0 s ，3 0 0 3 l m i n h e l i u m o x y g e nf l u x ，u n d e rw h i c hc o n d i t i o nt h e i n t e r f a c i a ls h e a rs t r e n g t h ( i f s s ) b e t w e e nf i b e ra n de p o x yw a sg r e a t l yi n c r e a s e d ，t h e c o n t e n to fo x y g e na t o ma n do x y g e n - c o n t a i n i n gp o l a rf u n c t i o n a lg r o u p sa sw e l la st h e s u r f a c er o u g h n e s sw e r ee n h a n c e d ，w h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ed e c r e a s eo ft h ew a t e r c o n t a c ta n g l e k e yw o r d s ：p a r a - a r a m i df i b e r ；d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ；p l a s m a ：t i m ee f f e c t ； s u r f a c em o d i f i c a t i o n 顾如茜( 材料加工工程) s u p e r v i s e db y 王堡苤盟塞医 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 目录 第一章绪论1 1 1 对位芳纶简介1 1 1 1 对位芳纶的结构1 1 1 2 对位芳纶的应用1 1 1 3 对位芳纶增强复合材料2 1 2 介质阻挡放电3 1 2 1 介质阻挡放电等离子放电的机理3 1 3 介质阻挡放电等离子放电的主要设备4 1 4 介质阻挡放电在芳纶表面改性中的应用7 1 5 结语8 1 6 本论文的意义和主要研究内容9 第二章氩气常压介质阻挡放电对对位芳纶的表面改性1 1 2 1 引言1 1 2 2 实验部分1 2 2 2 1 材料1 2 2 2 2 氩气d b d 等离子体处理1 2 2 2 3 氩气d b d 等离子体处理性能测试1 2 2 3 结果与讨论1 4 2 3 1 氩等离子体处理对芳纶界面剪切强度的影响1 4 2 3 2 氩等离子体处理对芳纶表面亲水性能的影响1 6 2 3 3 氩等离子体处理对芳纶表面化学组成的影响1 8 2 3 4 氩气等离子体处理对芳纶表面粗糙程度的影响2 2 2 4 结论2 4 第三章不同气氛介质阻挡等离子体放电对芳纶纤维表面改性的探究2 5 3 1 引言2 5 3 2 试验部分2 5 3 2 1 试验材料2 5 3 2 2 介质阻挡放电等离子体处理2 6 麟 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 3 3 3 测试方法2 6 3 3 结果与讨论2 6 3 3 1 不同气氛d b d 等离子体处理对芳纶i f s s 性能的影响2 6 3 3 2 不同气氛d b d 等离子体处理对芳纶表面元素组成的影响2 8 3 3 3 不同气氛d b d 等离子体处理对芳纶表面形态的影响3 2 3 4 结论3 5 第四章不同气氛常压介质阻挡放电对对位芳纶表面改性时间效应的影响3 6 4 1 引言3 6 4 2 实验部分3 6 4 2 1 材料3 6 4 2 2d b d 等离子体处理3 7 4 2 3 测试方法3 7 4 3 结果与讨论3 7 4 3 1 等离子体处理对芳纶界面剪切强度的时问效应3 7 4 3 2 等离子体处理对芳纶接触角的时间效应4 0 4 3 3 等离子体处理芳纶表面元素的时间效应4 2 4 4 结论4 4 第五章氦气氧气常压介质阻挡放电对对位芳纶的表面改性4 5 5 1 引言4 5 5 2 实验部分4 5 5 2 1 材料4 5 5 2 2 氩气d b d 等离子体处理4 6 5 2 3 测试方法4 6 5 3 结果与讨论4 6 5 3 1 氦气氧气等离子体处理对芳纶界面剪切强度的影响4 6 5 3 2 氦气氧气离子体处理对芳纶表面亲水性能的影响4 9 5 3 3 氦气氧气等离子体处理对芳纶表面化学组成的影响5 l 5 3 4 氦气氧气等离子体处理对芳纶表面粗糙程度的影响5 4 5 4 、结论5 7 第六章结论5 9 参考文献6 0 硕士研究生期间发表( 录用) 的论文6 6 致谢6 7 v 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 1 1 对位芳纶简介 第一章绪论弟一早硒比 对位芳纶( p a r a - a r a m i df i b e r ) 主要品种是凯夫拉，其化学名称为聚对苯二甲 酰对苯二胺( p p t a ) ，是一种新型高科技合成纤维，具有高强度、高模量、高 结晶度和高取向度，由于它出色的热稳定性能和化学惰性，使其成为了高性能复 合材料增强纤维的最佳候选之一【1 。3 1 。它是一种复合增强材料被广泛应用于航空 航天，造船等军事工业领域 4 - 6 1 。目前国； b p p t a 生产主要集中在日本、美国和 欧洲。如美国杜邦公司的k e v l a r 纤维，荷兰阿克苏诺贝尔公司( 己于帝人合并) 的t w a r o n 纤维，日本帝人公司的t e c h n o r a 纤维以及俄罗斯的t e r l o n 纤维等。 1 1 1 对位芳纶的结构 k e v l a r 纤维是芳香族聚合物纤维，是以对苯二胺和对苯二甲酰为原料，在有 机溶液中进行低温缩聚，得到高性能、高结晶度的树脂采用液晶纺丝新技术，溶 于浓硫酸或六甲基磷酸酰胺等一些溶剂中配成纺丝原液，然后用干湿法纺丝的技 术制备而成。k e v l a r 纤维的分子链是由苯环和酰胺基按一定规律排列而成。酰胺 基团的位置又都在苯环的直位上，故而这种聚合物具有良好的规整性，致使 k e v l a r 纤维具有高结晶度。这种刚性的聚集状分子链，在纤维轴向是高取向的， 分子链上的氢原子将和其它分子链上的羰基( 酰胺基团内) 结合生成氢键，成为 高聚物分子间的横向联结。k e v l a r 纤维这种苯环结构，使它的分子链难于旋转， 高聚物分子不能折叠，又是伸展状态，形成体状结构，从而使纤维具有很高的模 量。聚合物线性结构的分子间排列十分紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分 子，这种高致密特性使纤维具有较高的强度。此外，这种苯环结构由于环内电子 的共轭作用，使纤维具有化学稳定性，又由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶 体的本质，使纤维在高温状态下具有尺寸稳定性。 1 1 2 对位芳纶的应用 由于对位芳纶具有独特物理和化学性能，可用于制作大型飞机的二次结构材 料，如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等，也可制作机内天花板、舱壁等，可 减轻其质量；在建筑工业中，由于其质轻，可以替代石棉来增强水泥或者金属材 料制成高强度构件，以及对结构进行加固补强；在体育用品方面，可制成拳击手 套、登山鞋靴、网球拍、高尔夫球棒、钓鱼竿、滑雪橇等；在信息技术产业方面， 可用作光缆中的张力构件即芯棒，可保护光纤在受到拉力时不致伸长，从而不使 麟 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 光传输性能受到损失；在汽车飞机制造领域，用于制作汽车和飞机的轮胎帘子线 和高温高压橡胶管骨架，还可替代石棉来制造刹车片、离合器、整流器等等，以 降低石棉对环境以及人体健康的伤害；同时，芳纶还可以用来制作防护服，如宇 航防护服等；耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带；其他诸如雷达天线、增强混凝 土构件以及高性能的绳索如降落伞绳等。 1 1 3 对位芳纶增强复合材料 对位芳纶的应用中，几乎均需要与树脂基体进行复合成对位芳纶增加复合材 料从而进行应用，而纤维增强复合材料的机械性能取决于纤维和树脂基体之间的 结合作用。然而，对位芳纶具有刚性分子结构，分子对称性高，横向分子间作用 力弱，横向强度低使得压缩及剪切力作用下容易产生断裂；由于具有较高的结晶 度，使得纤维表面光滑、又缺乏可以参与反应的化学官能团，这直接限制了载荷 在树脂基体和纤维表面间的传递，削弱了两者之间的机械结合【7 书j 。因此，对芳 纶进行表面改性成为了必须，围绕着使其表面产生活性官能团以及增加它的表面 粗糙程度成为了近年来的研究热点。 1 1 3 1 对位芳纶的表面改，陛方法 传统的芳纶表面改性一般采用化学方法，例如化学刻蚀、表面化学接枝和聚 合改性等。根据以往的文献报道【l m l 2 】，经过化学改性之后，纤维表面的粗糙程度、 界面剪切强度和一些其它的表面性能都有了明显的提高，此外，这些改性的特点 都具有相当的持久性。但是，传统的化学改性一般而言都伴随着水或者有机溶剂 的使用，这就涉及了一些问题，诸如有机溶剂的回收和废水的后续处理，这些工 艺都伴随着能耗的增加和效率的降低，从而增加了生产成本且造成污染。除此之 外，化学处理还会腐蚀芳纶表面，降低其机械性能。 近年来，等离子处理技术对纤维进行表面改性被广泛使用，它不仅可以改 善纤维的可印染性，提高纤维和树脂之间的粘结性能，还可以增加植入部分的相 容性【3 1 。它是一种物理方法，主要基于氧原子、o h 基团以及紫外光子、电子和 离子在纤维表面的互相作用，不仅引起纤维表面的物理和化学变化，而且由于它 的作用深度只有几十到几百纳米，通过改变材料表面极性官能团或者物理形态而 提高其表面性能，所以不降低纤维本身的力学性能。等离子改性技术为干式工艺， 全程不涉及水分或者有机溶剂的使用，因此不会污染环境，是一种效率高、低能 耗而且操作简单的表面改性方法【1 3 1 7 。等离子改性技术应用很灵活，例如，可以 在低压或者常压下，可以用于不同几何形状下的物质，也可以在惰性气体或者在 混合气体中使用。 等离子改性的种类很多，例如直流辉光放电、电晕放电以及射频电晕放电。 但是这些等离子改性一般都需要在真空条件下，采用特殊的密闭腔体，这种方法 ， 幕辜天学 一啊一 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 成本高，而且处理过程受限于腔体本身尺寸，很难应用于连续化工业生产中。现 阶段最有前途的等离子处理方法之一为介质阻挡放电( d b d ) 1 8 ，它不仅可以 在大气压或者低压下直接进行操作，即便在高压条件下，也可以避免电弧放电。 d b d 设备构造简单且等离子源稳定。和一般的等离子技术相比，d b d 还可以避 免使用真空设备从而降低成本，使连续化工艺成为了可能。 1 2 介质阻挡放电 1 2 1 介质阻挡放电等离子放电的机理 等离子体表面技术早期比较主流的设备是低温辉光放电，但是需要配套使用 真空系统，这不仅导致了昂贵的设备投入，也使得生产效率比较低下，限制了低 压等离子技术设备的推广。大多数的低温辉光放电设备都限制在了实验室间断性 处理的水平，目前仅有两家公司可以提供真空的等离子体织物卷绕连续处理装 置，美国m e t r o 1 i n e a l a i rc o a t i n g 公司【l 引。 而介质阻挡放电技术则无需真空设备，可以在常压或者低压下进行，降低了 处理的成本，有利于工业化连续生产的实现。介质阻挡放电的原理是将有绝缘 介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声 放电。介质阻挡放电的放电模式是交流放电，而并非直流的导电通道。它的放 电形态相对而言比较均匀，是分布于整个三维空间的放电，而并非集中于局部的 某个放电通道上，这个也是它有别于其他一类的辉光放电的主要因素之一。介质 阻挡放电形式较为弥漫、稳定、无声。它的放电气压范围很宽，不同于辉光放电 只能在低气压下发生，高压下即会产生火花、电晕或者电弧。由于它的优势是利 用介质对击穿通道进行的阻挡，因此不会出现火花和电弧状态。 想要实现等离子改性的工业化，必须要保证两个条件：常压和非平衡性【2 。 而介质阻挡放电则恰好可以满足这两个必要条件。其一，它不需要昂贵的真空系 统和严格密封的真空罩反应器，可以直接连通大气压。因此d b d 系统的工艺流 程很简单，低能耗，成本得到了有效的控制。其二，非平衡性对于等离子体化学 和工艺而言也异常重要。由于其非平衡性，电子才能具有足够高的能量，从而激 发，离解或者电离反应物分子，形成大量离子、电子、激发态的原子和分子、自 由基等，在反应空间内存储了大量的活性粒子。此外，由于等离子改性需要在低 温或者接近室温的条件下进行，因此只有非平衡性下才能确保在此温度下不能发 生的反应变得可行，这才能使得等离子体改性得到更为广泛的应用。伴随着d b d 等离子改性技术的应运而生等离子表面处理从实验室阶段逐步走向工业化【20 1 。 黼 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 但是d b d 等离子处理也具有一些缺陷，当纤维通过放电区域时，在材料的表 面会沉积一定的放电电荷，从而改变了电极间隙的局部电场，当电压反向时，电 场局部增加。此外，在放电时电极间会形成大量的电流细丝通道( 微放电) ，使 得在极板附近的能量变得不均匀，这些形成的微电流会对纤维织物表面带来灼 烧，从而造成一定程度的损伤。 1 3 介质阻挡放电等离子放电的主要设备 针对d b d 产生的微放电的缺点，通常采用优化设备内部结构的方式来实现放 电的均匀性。近年来，国内不少高校都把芳纶的介质阻挡放电作为研究热点，并 且在设备方面作了大量改进。 d b d 装置的电极结构对于放电均匀性的影响颇大。几种主要的电极结构如图 l 所示，其中图卜1 ( a ) 一端为介质通道，另一端为裸金属电极，这种设备的优 点是多余的热量通过金属电极散发，常用于臭氧发生器。图卜1 ( b ) 放电发生 在两层介质之间，有效避免等离子体和金属电极的直接接触，此放电构型可以用 于强腐蚀性的气体或者高纯度的等离子体。图卜1 ( c ) 介质被安插在电极之中， 不仅可以在介质两边同时通过不同的等离子体，而且可以防止局部火花或者弧光 放电的产生，有利于放电的稳定性9 i 。 交流高电 压发生器 电极 图卜1 介质阻挡放电的电极结构 四川大学2 0 。的实验装置是类似于图1 - 1 ( a ) 介质阻挡放电空气等离子体实验 装置( 其俯视图如图1 - 2 所示) 。它在高压平面电极表面覆盖刚玉介质，低压电 极为金属平板。它的原理是在两电极之间加入高频高压正弦电流，当电压超过击 穿电压时，由于气体被突然击穿而形成等离子体。其放电的均匀和稳定性主要取 决于气流风管中的气流是否稳定，若气流不稳，则会形成丝状电流。 雾辜天学 一翱一仃 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 高压电极 图卜2 四川i 大学等离子设备 东华大学纺织学院所研制成功的常压d b d 等离子放电连续处理的装置在国内 也属于领先地位。他们的d b d 放电装置图类似于图1 - 1 ( b ) ，相比于四川大学的 装置，他们对于气氛的可取种类有了进一步的拓宽，装置图如图卜3 所示n9 | 。为 了使放电更加均匀稳定，东华大学纺织学院对平板电极进行了进一步的改造如图 卜4 所示。他们采用的是半封闭式的放电环境放电区域有充分的工作气体，使得 放电更加均匀，不容易灼烧纤维。东华大学理学院在此基础上进行进一步的优化， 研制出“大气压等离子体处理纤维束或纤维线绳表面装置”的专利设备瞳1 。，如图 卜5 。该装置类似于图卜1 ( c ) ，介质被安插在电极之中，这使得它可以将d b d 处理技术从单气氛的探究推广到了两种气氛的探究，它可以有效的防止局部火花 和弧光放电，保证材料表面改性的稳定性和均一性。 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 图卜3 东华大学纺织学院连续处理常压d b d 等离子放电装置 图卜4 东华大学纺织学院改进的连续处理常压d b d 等离子放电装置 6 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 主视图 俯视图 图卜5 东华大学理学院d b d 等离子放电装置图 1 电源；2 流量计：3 电极：4 高压电极： 5 介质空隙：6 测试系统 1 4 介质阻挡放电在芳纶表面改性中的应用 随着芳纶作为一种复合增强材料的地位与日俱增，芳纶的表面改性被提到一 个越来越重要的地位。国内各高校围绕介质阻挡放电等离子对芳纶表面进行改 性，近年来在国内外期刊上发表了不少学术论文。四川大学的王或婕 1 9 】对芳纶 麟 介质阻挡放电低温等离子体技术对对位芳纶表面改性的探究 i i i ( 杂环芳纶) 表面进行了介质阻挡放电等离子处理，结果表明经过处理后的纤维 表面粗糙程度大大增加，比表面积增大，从而提高了纤维和基体的机械咬合作用， 此外，处理后的纤维表面含氧官能团得到了有效的增加，从而使水分子以氢键的 形式更好的和芳纶结合，提高纤维表面的亲水性