真空等離子體對改性玻璃纖維及環氧樹脂復材的影響

摘 要：為提高界面相容性和力學性能，在玻璃纖維表面引入更多活性基團使其與樹脂基體間的作用力提高。對玻璃纖維進行偶聯劑處理后進行等離子體表面處理，考察了偶聯劑和等離子體表面處理對GF表面微觀結構和力學性能的影響情況。實驗結果表明，在偶聯劑的基礎上，進行等離子體處理可在GF的表面引入更多活性基團，顯著提高GF的表面活性，從而提高了GF的浸潤性，導致力學性能上升。在進行偶聯劑處理以及真空等離子體表面處理1 h后的玻璃纖維與環氧樹脂復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別提高了40.1%、3.02%和143.4%。

關鍵詞：等離子體表面處理；玻璃纖維；偶聯劑處理；表面改性

中圖分類號：TQ171.77 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0104-04

Effect of vacuum plasma modified glass fiber andepoxy resin composites

WANG Lihan，CHEN Zirui，WANG Liangqing，CHEN Yinkun，

ZHONG Shen，OU Huashao

（Haikou Power Transformation Branch of Hainan Power Grid Co.，Ltd.，Haikou 570100，China）

Abstract：In order to improve the interfacial compatibility and mechanical properties，more active groups were intro?duced on the surface of the glass fiber to increase the force between the glass fiber and the resin matrix. The glass fi?bers were treated with a coupling agent and then treated with a plasma surface，the effects of coupling agent andplasma surface treatment on the microstructure and mechanical properties of GF surface were investigated. The ex?perimental results showed that on the basis of the coupling agent，plasma treatment could introduce more activegroups on the surface of GF，which could significantly improve the surface activity of GF，thereby improving the wet?tability of GF and leading to the increase of mechanical properties. The tensile strength，flexural strength and im?pact strength of glass fiber and epoxy resin composites increased by 40.1%，3.02% and 143.4%，respectively，aftercoupling agent treatment and vacuum plasma surface treatment for 1 h.

Key words：plasma surface treatment；glass fiber；coupling agent treatment；surface modification

玻璃纖維增強環氧樹脂被廣泛應用于汽車零部件、電子器件、電力工器具、航空航天等領域 [1-2] 。有研究者通過采用不同的環氧樹脂與固化劑以提高玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能和熱學性能 [3] 。另一些研究者則選擇對玻璃纖維進行改性。針對纖維的表面改性，常用的方法有化學改性 [4] 和物理改性 [5-6] ?；瘜W改性包括表面刻蝕、表面接枝 [7] 、偶聯劑改性等；而物理改性包括等離子體、高能射線、超聲波等。其中，偶聯劑處理可以在玻纖表面引入活性基團，使之與聚合物基體建立起橋梁的作用，從而增強界面作用力 [8] ，進一步提高玻纖與環氧樹脂間的相互作用力 [9] 。而等離子體表面處理可以對玻纖表面產生類似刻蝕的作用，并引入O—C===O等活性基團，使界面作用力明顯提高 [10] 。研究發現等離子體處理后會對纖維表面產生刻蝕現象 [11] ，有利于在物理作用上提高玻纖與聚合物基體間的相互作用力。基于此，采用偶聯劑處理玻璃纖，隨后以真空等離子體表面處理，探究其表面微觀結構及浸潤性的變化情況，實現在玻纖表面引入更多活性基團，進而有利于提高界面相容性和力學性能。

1 實驗部分

1.1 原材料

環氧樹脂（E44，廣州穗欣化工有限公司）；固化劑（593，廣州穗欣化工有限公司）；玻璃纖維（WJ103，五河維佳復合材料有限公司）；硅烷偶聯劑（KH550，康錦新材料科技有限公司）。

1.2 主要儀器和設備

等離子體表面處理儀（VP-R10，廣州善準儀器設備有限公司）；高速分散機（RWD200，上海約迪機械設備有限公司）；電鼓風干燥箱（DHG-9240A，上海精宏實驗設備有限公司）；真空干燥箱（50L，廣東德瑞檢測設備有限公司）；材料試驗機（5966，美國英斯特朗公司）；動態熱機械分析儀（DMA1，瑞士梅特勒-托利多公司）；掃描電子顯微鏡（NoVaTM NanoSEM430，美國FEI公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet iS20，美國賽默飛世爾科技公司）；接觸角測量儀（OCA25，德國德飛公司）。

1.3 樣品制備

將未處理的玻璃纖維（GF0）浸泡于10 %硅烷偶聯劑KH550的溶液中3 h，取出烘干，標記為GF1。接著將偶聯劑處理的玻璃纖維置于等離子體表面處理儀中進行進一步表面改性，功率為中檔，氣體為空氣，流量100 mL/min，真空度0.5 Pa，處理時間分別為0 h和1.0 h，分別標記為GF1和GF1-1.0。對GF0進行等離子體處理0 h和1.0 h作為對比，分別標記為GF0和GF0-1.0。環氧樹脂∶玻纖∶無水乙醇=100∶20∶20，在剪切分散機中以2 000 r/min攪拌混合均勻，加入25份固化劑，繼續攪拌均勻，放入真空烘箱中在室溫下真空脫氣15 min，取出澆注到力學樣條模具中，放入烘箱中45 ℃固化4 h，取出室溫下放置8 h完全固化。

1.4 結構表征與性能測試

對玻璃纖維以及復合材料的脆斷面表面噴金，使用美國FEI公司的NoVaTM Nano SEM430場發射掃描電子顯微鏡觀察脆斷面形貌結構。掃描電鏡加速電壓為15 kV。

使用美國賽默飛世爾科技公司的Nicolet iS20紅外光譜儀測試玻璃纖維表面基團的變化情況，波數掃描范圍400～4 000 cm -1 。

在23℃下，采用坐滴法使用1μL的水測試玻璃纖維接觸角，以評估潤濕性變化情況。

分別按照 GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的 測 定》、GB/T 9341—2008《塑料 彎曲的性能測定》和 GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定》進行拉伸、彎曲和缺口沖擊性能測試，拉伸速率 10 mm/min，彎曲測試應變速率為2 mm/min，每個樣品取5次有效數據計算平均值。

2 結果與討論

2.1 玻璃纖維的微觀形貌和表面結構特性

圖 1 和圖 2 所示分別為不同改性前后的玻纖SEM照片和FTIR圖。

由圖1、圖2可知，未經偶聯劑處理的玻纖表面光滑，而經過偶聯劑處理之后，表面光滑程度降低，甚至有一些凸起，這是因為附著了一層偶聯劑。通過對比兩者的FTIR圖形可看出，經過偶聯劑處理后，在3 430、1 731、1 300、1 056和872 cm -1 附近處出現較為強烈的峰。這是硅烷偶聯劑中的—OH、C===O、Si—O—Si、C—O和C—H的特征峰，表明偶聯劑成功附著在玻纖表面 [12] 。當GF0和GF1經過等離子體表面處理后，表面的粗糙度增加，甚至出現不同程度的破壞，這是由于等離子體對表面的刻蝕導致的 [13] 。經過等離子處理后紅外光譜在2920和2850cm -1 處出現新的吸收峰，其為C（O）—H基團的特征峰。同時在3 430、1 300 cm -1 等處的吸收峰更加強烈，這表明真空等離子處理使玻纖表面獲得更多的活性基團 [14] ，這有利于提高纖維與環氧樹脂間的界面作用力。

2.2 浸潤性

為研究玻纖經過偶聯劑處理以及等離子體表面處理后表面潤濕性的變化情況，進行了水接觸角測試，結果如表1所示。

由表1可知，未經改性的玻纖接觸角為84.5°，其表面浸潤性較差。而經過1.0 h等離子處理后，初始接觸角為54.6°，在5.8 s后完全鋪展。GF0經過偶聯劑改性之后，接觸角降低為45.8°，表面浸潤性有所提升。

而偶聯劑處理后進一步經過等離子體表面處理1.0 h后接觸角從水滴落時的36.0°在1.9 s內降低至接近0°，即完全鋪展。結合圖1的SEM和圖2的FTIR結果可知，這是因為等離子體處理在玻纖表面引入了更多—OH、—C===O等活性基團，從而使浸潤性明顯提高。

2.3 復合材料斷面微觀形貌

觀察復合材料脆斷面以確定改性前后，玻璃纖維表面的變化對GF/EP復合材料微觀形貌的影響情況。如圖3所示為改性前后的GF/EP復合材料脆斷面的SEM照片。

由圖3（c）中EP/GF0可知，未經偶聯劑處理玻纖復合材料的斷面較為平整，玻纖表面光滑，無樹脂粘連。經過偶聯劑處理之后，玻纖表面相對不光滑，與樹脂有部分粘連。而進一步在經過等離子體處理1 h后，玻纖表面光滑程度繼續降低，其與環氧樹脂間的相互結合更加緊密。這與上述結果一致，并證實了偶聯劑處理后經過等離子體表面處理可有效提高玻璃纖維與環氧樹脂間的作用力。

2.4 DMA分析

圖4為改性前后的GF/EP復合材料的DMA測試結果中 tanδ 曲線，其峰值對應的溫度可以顯示出材料的玻璃化轉變溫度。

由圖 4 可知，EP/GF0 的玻璃化轉變溫度為40.9 ℃，經過等離子體處理1.0 h后，玻璃化轉變溫度上升至42.7 ℃。經過偶聯劑處理后的GF1在進一步經過等離子體處理1.0 h時后，復合材料的玻璃化轉變溫度上升至51.1 ℃。這是由于偶聯劑和等離子體處理可以提高GF和EP之間的相互作用力，限制了分子鏈段的運動導致的 [15] 。結合SEM、FTIR和接觸角數據，這是因為GF與EP間的作用力提高，限制了分子鏈段的運動導致的。

2.5 力學性能

表2為改性前后的GF/EP復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度圖線和力學性能結果。

表2可知，EP/GF0的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別為35.0 MPa、36.4 MPa和4.8 kJ/m 2 。當玻纖經過偶聯劑處理后，上述力學性能分別上升至40.5 MPa、43.4 MPa和7.7 kJ/m 2 。GF0經過等離子體處理1.0 h后，復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別為 39.2 MPa、40.3 MPa 和 6.5 kJ/m 2 。而先經過偶聯劑處理，再進行等離子體處理1.0 h之后，上述力學性能進一步顯著提高至 49.3 MPa、47.4 MPa 和 11.7 kJ/m 2 ，與 EP/GF0 相比，分別提高了 40.1 %、3.02 %和 143.4 %。以上結果表明真空等離子體處理可以在偶聯劑處理的玻纖表面引入更多的活性基團，這有助于力學性能的進一步提高。

3 結語

偶聯劑處理在玻璃纖維表面引入了一定的活性基團從而提高了纖維的浸潤性，而真空空氣等離子體表面處理可以進一步在玻璃纖維表面引入更多的活性基團，因而使纖維的浸潤性進一步提升。這有助于顯著提高GF和EP間的界面作用力，從而有利于提高復合材料的玻璃化轉變溫度和力學性能。與未經過改性的玻纖增強環氧樹脂復合材料相比，在進行偶聯劑處理以及真空等離子體表面處理1.0 h后的玻纖與環氧樹脂復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別提高了40.1%、3.02%和143.4%。

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（責任編輯：蘇 幔）