等離子體表面處理在有機高分子材料中的應用研究

董懷斌

（裝甲兵工程學院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體表面處理在有機高分子材料中的應用研究

董懷斌

（裝甲兵工程學院 裝備維修與再制造工程系， 北京 100072）

等離子體處理技術已經廣泛的應用于各種表面處理領域，但在碳纖維樹脂復合材料表面處理方面研究卻很少。文中介紹了等離子體處理技術在高分子有機材料方面的應用現狀，以及處理后材料表面潤濕性、表面形貌、化學成分和粘結性等方面的影響。研究分析等離子體處理技術在碳纖維復合材料上的應用前景。

等離子體；表面處理；有機高分子材料

等離子體技術自20世紀60年代至今已經在人類生活的各個領域有所應用，尤其是近年來隨著新材料的不斷發展，對新材料表面進行處理能夠改善材料的耐磨性、抗腐蝕性、潤濕性以及黏結性等重要性能。因此，等離子體表面改性技術已經成為新材料學的前沿領域研究[1～3]。

碳纖維復合材料因其優良性能，越來越受到世人關注[4]。但復合材料界面層間性能容易損傷，等離子體的出現能很好的解決這種問題。本文主要介紹等離子體技術在表面改性的應用。

1　等離子體表面處理在有機材料中的應用

1.1 表面接觸角及表面能的變化

物體表面接觸角越小，其潤濕性越好[5]。潤濕是黏附的必要條件，材料表面經等離子體處理后，由于含氧基團被大量的引入，使得表面潤濕性得到明顯改善，因此有利于表面黏黏附性增強[6]。

通常情況下，高分子材料經過Ar、O2、N2等氣體等離子體處理后，會在表面引入─COO.H、─C==O、─NH2等基團[7]，增加表面親水性[8～10]。

劉楊[11]研究了放電功率和時間對等離子體處理木粉/聚乙烯復合材料效果的影響。陶巖[12]以溫度作為影響因素，對木塑復合材料進行等離子體表面處理。馬小青[13]用利用氧氣和氬氣分別對聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）進行處理。周荃[14]用不同氣體組分（氬氣和氧氣的混合氣體）對氟橡膠和聚酯（PET）表面處理。他們的研究表明：通過等離子體表面處理可提升材料表面潤濕性，而影響表面接觸角的因素很多，如放電時間、功率、處理氣體、氣壓等[15]。

1.2 表面顯微分析

高分子材料經過等離子體處理后，表面粗糙度有不同程度的增加，是由于等離子體對材料表面有刻蝕作用，進而影響液體在表面的吸附作用，最終使表面潤濕性改變。

陳玉茹[16]等人采用Ar、O2兩種氣體對航空氟硅硫化橡膠表面進行低溫等離子體處理。李皓[17]對 C3D/ PEEK（三維編織碳纖維增強聚醚醚酮）復合材料進行低溫空氣等離子體處理，處理后得出復合材料表面出現了明顯的微裂紋。表面粗糙度與等離子體處理時間密切相關，處理時間的越長，表面粗糙度越大。

倪新亮、王長全[18～19]等研究發現，經過等離子體處理后，材料表面的化學成分發生了很大的變化，總體上是C元素相對含量減少，O元素的相對含量增加，C/O相對含量之比下降；并且材料表面的官能團也有變化，材料表面C==O鍵和0==C—O鍵含量百分比增加，C、O雙鍵結合的比例提高，等離子體中的能量轉化到表面的化學鍵上。表面引入了大量的含氧官能團，表面極性增強，潤濕性顯著提升。

1.3表面黏結性

對高分子有機物進行表面改性處理，最終目的是能夠增強表面黏結強度，通過表面潤濕性、粗糙度、表面成分分析等方面的實驗進而論證材料表面黏結強度的改變。

唐麗華[20]用等離子體對聚四氟乙烯，功率的提高和處理時間的延長有利于 PTFE 剝離強度的提高。處理功率為 600 W時提高了42.8倍。劉呈坤[21]用等離子體處理聚酯織物對其T型剝離強度的影響，其強度隨處理時間延長明顯增強。劉楊將等離子體處理前后的木粉/聚乙烯復合材料用丙烯酸酯膠黏劑和環氧樹脂膠黏劑進行黏接，隨著等離子體放電功率的增大，黏接強度逐漸增大。

2　等離子體表面處理在復合材料中的應用展望

等離子體處理在高分子材料、復合材料中已經有了大量的應用，并取得了一定的發展。但是，從文獻中查找只能發現等離子體表面處理只是在復合材料界面有大量的研究，先用等離子體處理纖維，再將處理后的纖維與基體進行固化，而對于固化后的復合材料樹脂表面，這方面研究卻很少有報道。

通過等離子體處理其他有機物、聚合物和復合材料，發現可以使材料表面潤濕性、粗糙度、黏結強度等均發生較明顯改觀，可以猜想這些分析所得的規律對樹脂基復合材料同樣適用，這就為提高樹脂基復合材料表面黏結性奠定了基礎。因此，等離子體可以使復合材料表面表面改性和黏結性提高，具有很大的發展、應用前景。

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(P-02)

Application of plasma surface treatment in organic polymer materials

TB324 O539

1009-797X(2016)14-0060-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.019

董懷斌（1992-），男，研究方向為復合材料。

2016-06-08