空氣等離子體處理芳綸Ⅲ的性能研究

王紅紅，孫潤軍

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

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空氣等離子體處理芳綸Ⅲ的性能研究

王紅紅，孫潤軍

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

比較了國產芳綸Ⅲ與芳綸1414以及進口Twaron纖維的表面性能；采用空氣等離子體處理技術對芳綸Ⅲ的表面進行改性，研究了空氣等離子體處理工藝條件以及處理前后芳綸Ⅲ的結構與性能的變化。結果表明：國產芳綸Ⅲ的表面存在不均勻的淺溝槽，比芳綸1414和Twaron纖維表面粗糙，其表面浸潤性較差，但卻優于芳綸1414和Twaron纖維；空氣等離子體處理芳綸Ⅲ的最佳條件為放電功率65 W，空氣放電氣壓2 000 Pa，處理時間11 min，在此條件下處理的芳綸Ⅲ表面接觸角由未處理時的55.8°降至41.5°，纖維的浸潤性能得到改善，而其力學性能和大分子結構不受影響。

芳綸Ⅲ 對位芳綸 空氣等離子體 表面形貌 浸潤性 力學性能 大分子結構 表面改性

芳綸Ⅲ是將第三單體即5(6)-胺基-2-(4-胺基苯基)苯并咪唑引入聚對苯二甲酰對苯二胺的大分子鏈上進行共縮聚[1-2]，并改進纖維成形加工工藝，從而得到的一種新型三元共聚聚酰胺纖維。第三單體的嵌入使得聚酰胺大分子鏈得到改性，提高了產品的綜合性能[3-4]。纖維表面是纖維材料接受外界作用時的直接承載部位，是呈現纖維集合體性能特征的基礎。纖維表面粗糙，會增強纖維絲束中單絲之間的抱合力，從而使得纖維束的拉伸強度增大[5]；纖維表面輕微的刻蝕，將提高纖維材料的浸潤性；纖維表面若有嚴重的裂紋、孔洞等缺陷，則會有損纖維的強度和模量，從而影響纖維制品的質量。作者對國產芳綸Ⅲ的表面形態和浸潤性能進行了測試，并與2種對位芳綸進行對比，研究了3種芳綸之間的表面形態差異，同時對芳綸Ⅲ的表面進行了改性處理研究，為其今后的加工使用提供了參考。

1 實驗

1.1 試樣

芳綸Ⅲ：線密度為2.23 dtex，密度為1.443 g/cm3，中藍晨光化工研究院產；芳綸1414：線密度為1.68 dtex，密度為1.437 g/cm3，山東煙臺泰和新材料有限公司產；Twaron纖維：線密度1.74 dtex，密度為1.450 g/cm3，日本帝人公司產。

1.2 儀器與設備

HPD-280型輝光放電低溫等離子體表面處理器：南京蘇曼電子有限公司制；OCA40Micro型光學接觸角測量儀：德國Dataphysics公司制；Instron5565萬能強力機：美國Instron公司制；Quanta-450-FEG場發射掃描電鏡(SEM)：美國FEI公司制；Spotlight 400 & Frontier FT-IR傅里葉變換紅外顯微材料成像分析系統：美國Perkin Elmer公司制。

1.3 試樣的預處理

將3種芳綸分別用無水乙醇浸泡24 h，再用超聲波清洗30 min，然后用去離子水清洗掉上面的乙醇試劑，置于90 ℃的烘箱中烘干備用。

1.4 芳綸Ⅲ的表面改性

利用輝光放電低溫等離子體表面處理器(放電最大功率即Pmax為150 W)對芳綸Ⅲ表面進行改性處理。處理條件：以空氣為放電氣體，設定放電氣壓為2 000 Pa。

(1)保持等離子體處理的放電功率為45 W，考察國產芳綸Ⅲ分別經由5，8，11 min不同時間的處理效果，從中獲得最優處理時間。

(2)保持等離子體處理的時間為最優時間，考察國產芳綸Ⅲ經由45，65，85 W不同放電功率的處理效果，從中獲得最優處理功率。

1.5 分析測試

纖維表面浸潤性：采用光學接觸角測量儀對芳綸的表面浸潤性進行測試。以纖維表面與水的接觸角(θ)來表征纖維表面的浸潤性能。θ越小，其浸潤性越好。測量纖維表面浸潤性的液體選用去離子水。

強伸性能：采用萬能強力機對改性處理過的芳綸Ⅲ的強伸性能進行測試表征。設定芳綸單纖維強力測試的拉伸速度為20 mm/min，夾持距離為20 mm，預加張力為0.2 cN，每種試樣測試根數為50根，結果取其平均值。

纖維表面形貌：采用SEM對處理前后芳綸Ⅲ的表面形貌進行觀察研究，放大倍數為12 000。

紅外光譜：將最佳等離子體處理條件下的芳綸Ⅲ進行紅外光譜掃描，并與處理前的芳綸Ⅲ進行對比分析。掃描波數為650～4 000 cm-1，分辨率為 2 cm-1，掃描次數為16。

2 結果與討論

2.1 芳綸的表面性能

2.1.1 表面形貌

由圖1可見，芳綸1414及Twaron纖維表面光滑，而芳綸Ⅲ表面沿纖維軸向存在不連續且深淺不一的溝槽，相對于另外兩種對位芳綸而言，其表面較為粗糙。

圖1 芳綸表面形貌SEM照片Fig.1 SEM images of surface morphology of aramid fiber

這是由于芳綸Ⅲ是經濕法紡絲工藝而獲得，

在紡絲之后的熱處理階段，溶劑揮發而形成纖維表面不均勻的淺溝槽[8]。此表面的溝槽非常淺，不會影響纖維本身的強度，但卻增加了纖維表面的粗糙程度，有利于增強纖維集合體中單絲之間的抱合力。

2.1.2 表面浸潤性

由表1可見，相對芳綸1414及Twaron纖維，芳綸Ⅲ表面與水的θ最小為55.8°，說明芳綸Ⅲ的表面浸潤性優于芳綸1414和Twaron纖維，這與芳綸Ⅲ大分子鏈上的親水基團有關。SEM照片也顯示芳綸Ⅲ表面存在不均勻的淺溝槽，比芳綸1414和Twaron纖維粗糙，這也有助于提高其表面的浸潤性。雖然芳綸Ⅲ的浸潤性比2種對位芳綸略好，但其仍屬于親水性較差的纖維。

表1 芳綸表面與水的θ

Tab.1 θ of water on the surface of aramid fiber

纖維品種θ/(°)芳綸Ⅲ55．8芳綸141462．2Twaron纖維64．6

2.2 芳綸Ⅲ的等離子體表面改性處理

2.2.1 處理時間

從表2可見：不同處理時間下，等離子體處理對芳綸Ⅲ的強伸性能影響較小，其斷裂強度保持率在97.92%以上，斷裂伸長率基本不變；隨著處理時間的延長，芳綸Ⅲ表面與水的θ逐漸變小，其浸潤性越好；當處理時間為11 min時，芳綸Ⅲ的強伸性能略有下降，不影響其原有力學性能，而其θ下降到49.3°，浸潤性改善最好，因此最優處理時間為11 min。

表2 不同處理時間下芳綸Ⅲ的性能

Tab.2 Properties of aramid fiber Ⅲ at different treating time

處理時間/min θ/(°)斷裂強度/(cN·dtex-1)斷裂強度變異系數，%斷裂強度保持率，%斷裂伸長率，%斷裂伸長變異系數，%斷裂伸長保持率，%0 55．833．68．97100．004．09．51100．005 53．033．37．5599．114．06．73100．008 52．833．28．0098．814．06．90100．0011 49．332．99．3997．924．06．87100．00

注：空氣放電氣壓為2 000 Pa，放電功率45 W。

2.2.2 放電功率

由表3可見：隨著放電功率的增大，芳綸Ⅲ表面與水的θ逐漸減小，纖維表面浸潤性逐漸改善，纖維斷裂伸長率變化不大，但斷裂強度隨之下降；當放電功率為65 W時，纖維表面與水的θ相對于放電功率為45 W時大幅度減小，而強伸性能下降不多；當放電功率為85 W時，雖然纖維表面與水的θ相對于放電功率為65 W時有所減小，但浸潤性改善幅度不大，而纖維斷裂強度保持率降至93.45%，此時強度存在不容忽略的損傷。綜合考慮國產芳綸Ⅲ的浸潤性和強伸性，則最優放電功率為65 W。

表3 不同放電功率下芳綸Ⅲ的性能

Tab.3 Properties of aramid fiber Ⅲ at different discharge power

放電功率/W θ/(°)斷裂強度/(cN·dtex-1)斷裂強度變異系數，%斷裂強度保持率，%斷裂伸長率，%斷裂伸長變異系數，%斷裂伸長保持率，%055．833．68．97100．004．09．51100．004549．332．99．3997．924．06．87100．006541．532．310．4796．133．98．7397．508538．931．411．1593．454．08．74100．00

注：空氣放電氣壓為2 000 Pa，處理時間11 min。

綜上所述，對芳綸Ⅲ進行等離子體處理的最佳條件為放電功率65 W，空氣放電氣壓2 000 Pa，處理時間11 min，在此最佳條件下測得的芳綸Ⅲ表面與水的θ為41.5°。

2.2.3 等離子體處理后纖維的表面形貌

由圖2可看出，最佳條件等離子體處理后芳綸Ⅲ的表面發生了明顯的刻蝕，其表面粗糙程度明顯增加，這將有利于液體在纖維上附著，從而改善纖維表面浸潤性能。

圖2 等離子體處理后芳綸Ⅲ的表面形貌Fig.2 Surface morphology of aramid fiber Ⅲ after plasma treatment

2.2.4 等離子體處理前后纖維的結構

由圖3可以看出，處理前后的芳綸Ⅲ的紅外光譜譜帶位置和形狀完全一致，說明等離子體處理并未改變芳綸Ⅲ的內部大分子結構。

圖3 等離子體處理前后芳綸Ⅲ的紅外光譜Fig.3 Infrared spectra of aramid fiber Ⅲ before and after plasma treatment1—處理前；2—處理后

但是處理前后纖維的紅外譜帶吸收峰的高低略有變化，這是由于等離子體處理使得纖維表面大分子中極性基團的含量改變而引起。等離子體放電氣體中的高能粒子與纖維表面發生碰撞，使得纖維表面大分子解離產生自由基，此種自由基的活性很大，可與空氣中的氧反應而產生羧基等極性基團[9]。這些極性基團對水有很好的親和力，由此纖維表面浸潤性能提高。

3 結論

a. 芳綸Ⅲ的表面存在沿纖維軸向不均勻的淺溝槽，相對芳綸1414和Twaron纖維，表面較為粗糙，這有利于芳綸Ⅲ增強復合材料提高纖維與基體的粘結強度。

b. 通過測試芳綸Ⅲ表面與水的θ，可知其表面浸潤性能優于芳綸1414和Twaron纖維，但仍屬于疏水性纖維的范疇。

c. 采用等離子體對芳綸Ⅲ表面進行改性，其最佳處理條件為：放電功率65 W，空氣放電氣壓2 000 Pa，處理時間11 min，在此條件下等離子體處理芳綸Ⅲ，其纖維表面受到明顯刻蝕，纖維表面與水的θ從未處理時的55.8°下降至41.5°，浸潤性得到較大改善，而強伸性能變化不大。

d. 紅外光譜分析表明，芳綸Ⅲ經等離子處理后，其內部大分子結構沒有發生改變。

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Properties of aramid fiber Ⅲ after air plasma treatment

Wang Honghong, Sun Runjun

(Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an710048)

The surface properties of a China-made aramid fiber Ⅲ and aramid fiber 1414 and an imported Twaron fiber were compared. The aramid fiber Ⅲ was exposed to surface modification by air plasma treatment. The air plasma treatment conditions and the change in the structure and properties of aramid fiber Ⅲ were studied before and after treatment. The results showed that the China-made aramid fiber Ⅲ was rougher than aramid fiber 1414 and Twaron fiber due to the uneven shallow grooves on the surface and was poor in wettability but better than the other two para-aramide fibers; the surface contact angle was decreased from 55.8°to 41.5°, the wettability was improved, but the mechanical properties and the macromolecular structure were not impacted when the aramid fiber Ⅲ was exposed to air plasma treatment under the optimal conditions of discharge power 65 W, air discharge pressure 2 000 Pa and treating time 11 min.

aramid fiber Ⅲ; para-aramid fiber; air plasma; surface morphology; wettability; mechanical properties; macromolecular structure; surface modification

2016- 07- 04； 修改稿收到日期：2016-10- 09。

王紅紅(1989—)，女，助理工程師，從事紡織材料與紡織品設計研究。E-mail：344015824@qq.com。

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1001- 0041(2016)06- 0030- 04