低溫等離子體處理對PBO纖維潤濕性的影響

李健　楊建忠

摘要：為改善PBO纖維的潤濕性，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，探究了空氣低溫等離子體處理對PBO纖維潤濕性的影響。通過芯吸效應(yīng)和接觸角表征處理前后PBO纖維潤濕性，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察處理前后PBO纖維表面形貌，用X射線光電子能譜儀（XPS）對處理前后PBO纖維表面化學(xué)組成進(jìn)行定性分析。實驗結(jié)果表明，改性后PBO纖維芯吸高度大幅上升，接觸角明顯降低，并且在其表面產(chǎn)生明顯刻痕，局部有剝離現(xiàn)象，改性后PBO纖維O、N元素含量均有所提高，PBO纖維潤濕性明顯增強(qiáng)。

關(guān)鍵字：PBO纖維；等離子體；芯吸效應(yīng)；接觸角；潤濕性

聚聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維是一種高性能纖維，具有高模、高強(qiáng)、耐高溫等顯著特點，被認(rèn)為是21世紀(jì)的超級纖維[1～3]。PBO分子中含苯環(huán)及芳雜環(huán)，取向度高，PBO纖維表面光滑且缺少活性基團(tuán)，本身呈化學(xué)惰性，潤濕性差，這也導(dǎo)致了PBO纖維粘附性差，限制了其在復(fù)合材料及層壓織物領(lǐng)域中的應(yīng)用[3～8]。PBO纖維潤濕性的改善對研究PBO纖維其他性能也有著重要意義。等離子體技術(shù)是一種物理干法處理手段，有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點，在紡織材料表面改性中已有廣泛的應(yīng)用[9～13]。本文應(yīng)用空氣低溫等離子體處理PBO纖維，探究PBO纖維潤濕性的變化。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

均PBO纖維（HM，1.4D，日本東洋紡），去離子水，碳素墨水。

HD-1B型低溫等離子體儀，常州新區(qū)等離子體公司；JSM-6700F掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子株式會社；X射線光電子能譜儀（XPS）；JC2000C3型接觸角測定儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；YG（B）871型毛細(xì)效應(yīng)測定儀，溫州大榮紡織儀器有限公司。

1.2 試樣制備

芯吸實驗試樣制備與處理：將PBO纖維長絲剪切為25 cm，以絲束的形式并排粘在玻璃棒上，放入等離子體儀中。選取空氣低溫等離子體處理，共取24組試樣，處理條件為：25 Pa（放電氣壓），200 W（放電功率），240 s（處理時間）。

測接觸角試樣制備與處理：將PBO纖維密鋪排列在載玻片上，盡量保持平整，然后進(jìn)行空氣低溫等離子體處理，共取8組試樣，處理條件同芯吸實驗。

1.3 測試方法

1）潤濕性

芯吸高度測量：采用YG（B）871型毛細(xì)效應(yīng)測定儀測量處理前后PBO纖維芯吸高度的變化。參考標(biāo)準(zhǔn)《FZ/T 0107—2008 紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》。30 min測芯吸高度，碳素墨水作為指示劑。

接觸角測量：采用JC2000C3型接觸角測定儀測量處理前后PBO纖維與水的接觸角。

2）PBO纖維表面形貌觀察

采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡（SEM）對處理前后PBO纖維表面進(jìn)行觀察。

3）PBO纖維表面化學(xué)成分分析

采用X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)，分析經(jīng)空氣低溫等離子體處理后PBO纖維表面成分的變化。在XPS譜圖中，橫坐標(biāo)表示結(jié)合能，縱坐標(biāo)表示強(qiáng)度。并測試出PBO纖維表面碳、氮、氧3種元素含量的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤濕性

2.1.1 芯吸效應(yīng)

空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維芯吸高度見表1。

由表1可以看出，經(jīng)空氣低溫等離子體處理后，PBO纖維30 min的芯吸高度達(dá)9.11 cm，比未處理的芯吸高度增加了69.0%，潤濕性明顯增強(qiáng)。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團(tuán)的變化有著密切關(guān)系。

2.1.2 接觸角

空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維與水的接觸角見表2。

由表2可以看出，經(jīng)空氣低溫等離子體處理后，PBO纖維的接觸角為27.44°，未處理的接觸角為72.61，改性后接觸角明顯降低。這與改性后PBO纖維表面形貌和基團(tuán)的變化有著密切關(guān)系。

觀察發(fā)現(xiàn)，未處理PBO纖維表面水滴鋪展速度較慢，400 ms甚至800 ms后，接觸角的變化不大；而經(jīng)處理后的PBO纖維，其表面水滴鋪展迅速，80 ms后接觸角迅速減小，200 ms后水滴完全鋪展開來，進(jìn)一步反映了等離子體處理后PBO纖維潤濕性增強(qiáng)。

2.2 空氣等離子體處理對PBO纖維表面形貌影響

采用掃描電鏡（SEM）分析了空氣等離子體處理對PBO纖維表面宏觀形貌的影響，如圖1所示。

從圖1可以看出，未處理的PBO纖維表面光滑；處理后的PBO纖維表面凹凸不平，有刻痕和被剝離現(xiàn)象。空氣等離子體處理PBO纖維表面發(fā)生了刻蝕作用，表面粗糙程度增加，這也印證了處理后的PBO纖維比表面積增加，有利于改善PBO纖維的潤濕性。

2.3 空氣等離子體處理對PBO纖維表面化學(xué)組成的影響

PBO纖維經(jīng)空氣低溫等離子體處理后的XPS全掃描圖見圖2。譜圖中電子結(jié)合能位于284.5 eV、400 eV、532 eV的譜峰分別是C、O、N元素的特征峰。

由圖2可以看出，PBO纖維表面主要含有碳、氧、氮這3種元素。處理前后，譜圖中C1s、O1s、N1s譜峰的峰高均發(fā)生了不同的變化，C1s譜峰的峰高明顯降低。應(yīng)用Thermo Avantage軟件分析出經(jīng)空氣低溫等離子體處理前后PBO纖維表面元素組成的變化，見表3。

將由表3可以看出，處理后PBO纖維O、N元素含量有所升高，C元素含量顯著降低。O/C比從0.27增加到了0.63，N/C也從0.06增加到了0.09。這可能是由于空氣等離子體中的活性粒子在PBO纖維表面發(fā)生了系列反應(yīng)，生成含氧官能團(tuán)、含氮官能團(tuán)或接枝上了含氧基團(tuán)，從而處理后PBO纖維表面極性增強(qiáng)，潤濕性得到了改善。

3 結(jié)論

利用空氣低溫等離子體處理PBO纖維，改善了PBO纖維的潤濕性能。經(jīng)低溫等離子體處理后的PBO纖維芯吸高度增加，接觸角減小，表面被刻蝕，粗糙程度增加，比表面積增大，加快了纖維的潤濕速度。PBO纖維表面元素組成和極性也發(fā)生改變，利于PBO纖維吸濕性的改善。通過低溫等離子體處理，為PBO纖維表面性能的改善提供了條件，也增加了PBO纖維粘附性，對拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有積極意義。

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