低温等离子在芳纶处理中的影响

王巧玲

摘 要：采用低温等离子对芳纶进行处理，在处理前后分别使用XPS和扫描电镜对芳纶经过处理的部位表面进行分析观察，对其物化性以及结构变化情况进行研究。通过研究发现，芳纶经过等离子处理后，其表面发生刻蚀效应，C-O键数量增加；以不改变单纤强力的前提下，芳纶的亲水性能以及摩擦性能有所提高。

关键词：芳纶；等离子体；低温；性能

芳纶是现代高科技合成纤维材料，其在性能上较之传统的纤维材料强度、模量较高，且密度低，具有较好的耐磨性，主要由对称的刚性分子相互结合而成，具有较高的结晶度和定向程度，所以分子间横向作用力较弱；并且大量芳香环存在于芳纶的分子结构中，因此分子不易移动，并且分子间H-H键较弱，其分子横向强度较差，在受到剪切力以及压缩力作用时容易发生断裂，而在断裂后由于受到结构影响，会使得材料表面光滑，且具有较差的润湿性，同复合材料、橡胶、化学材料等粘结作用便会受到影响，因此使得材料的推广应用以及发展受到了严重的限制。为保证芳纶能够充分发挥其力学性能，可以对其材料表面做一定的處理。目前常用的改性技术主要包括等离子技术以及化学方式。化学的方式主要是通过一定的化学手段对芳纶的表层结构进行改变，用以对芳纶结构上的不足予以弥补，但是由于化学作用控制性较差，因此芳纶内部结构也有可能受到破坏，这种方式需要对反应时间予以精准的控制，因此限制较多。同化学方式比较，物理法中的等离子技术具有更为广阔的发展空间，随着技术的不断完善，是一种良性的干法处理手段，不但零污染、环保，并且能耗低节约水资源，等离子仅仅作用在纤维表层，不会对内部结构以及整体性能做出改变，从而赋予芳纶更加优质的性能。

文章中的等离子处理手段通过等离子在低温条件下，其活性离子对芳纶的表面进行轰击。对经过活化后的纤维体进行观察，通过对表面物化性能和机械性能处理前后的对比，对等离子处理的压强、功率以及时间对芳纶材料一系列性能的影响。

1 实验

1.1 材料

芳纶1414短纤样品以及芳纶1414长丝样品。

1.2 实验采用的方法

本文中介绍的低温等离子设备为HD-1B辉光放电仪，通过该等离子设备对芳纶的长丝以及短纤进行处理，后采用电子显微镜对纤维的表面进行扫描观察，研究其形态上发生的改变，通过光电子能谱设备对芳纶纤维的表面化学成分变化进行检测，从而对材料组分百分比含量进行定量分析，对纤维摩擦性能采用Y151纤维摩擦系数进行检测，对纤维强力性能采用专业的强力仪器进行测量，而对纤维亲水性的检测则通过使用YG（B）871毛细管效应设备。

2 结果分析

2.1 表面结构以及形态的改变

对芳纶采用电子显微镜进行扫描分析，对其表面形态在处理前处理后的状态予以变化跟踪。为了保证能够将芳纶表面结构变化清晰的表现出来，因此选用了5000倍的放大效果，并结合16000倍、18000倍和20000倍的电子显微镜，如此便能够清晰形象的将芳纶的表面变化表现出来。通过成像分析可以看出，经过等离子处理的材料表面出现了刻蚀现象，因而材料上出现了平沟痕，并且出现了刻蚀现象以及隆起，使得材料表面变得极为粗糙，使得纤维比表面积的增加，而该种方式变得很粗糙，从而增加了纤维的比表面积，比表面积的增加相对会提高纤维的物理吸附力，因而加快染化料在纤维上的扩散能力，从而提高了纤维粘结性和上染率。而随着时间的推移，等离子对于纤维进行处理的时间越长，芳纶便会出现明显的沟槽和条纹，而当处理时间为100s时，芳纶的表面粗糙度最大；继续对表面进行处理会发现随着时间的增加，纤维表面又恢复了平滑。所以当处理功率或者处理时间过大，那么先前由等离子所产生的刻蚀作用便会消失，极性基团以及沟槽会随之剥离掉，纤维表面会逐渐的显露其光滑的本体结构。

2.2 芳纶表面受到低温等离子处理后期表面的化学成分会发生改变，通过分析光电子能谱，可以发现芳纶的各个元算都会在什么位置结合，光电子能谱中对元素进行定量分析主要依据的是对谱峰面积的测量，因此精度很高。并且谱峰中的主峰会伴随出现很多伴峰。一类过程是同主峰同时发生的，即震离、多重分裂、震激等。另一类伴峰则是在主峰产生后而发生的过程。在定量测量中，若主峰存在伴峰，那么必须作为一整个部分进行处理。通过分析，在芳纶的OLS精细谱中，存在两个峰，主峰位置530.483eV，而伴峰的位置则在531.570eV。在芳纶的结构中有氧原子同一个碳原子的双键结合结构以及氧原子同两个碳原子结合的单键结构，通过分析主峰对应的应当是双键结构，中氧原子结合能，而伴峰则对应了单键结构中的氧原子结合能。

光电子能谱所获得的能谱主要有四个锋，芳纶中氧原子主要以C-O、C-一-O、C-OH键和C原子之间进行结合，处理的时间越长C=O、C-O键比例越高，同时C-H、c-OH键比例便越低，由于反应气体是空气，会在电离后在芳纶表面引发刻蚀，使得O1S、N1S的原子含量大大提升。

2.3 低温等离子体处理对芳纶力学性能的影响

随着功率的增加，芳纶的断裂强力、断裂强度、断裂伸长率呈递减的趋势，静、动摩擦系数有所降低；随着时间的延长，静、动摩擦系数增大，而断裂强力、强度，断裂伸长率都大幅度下降。过于激烈的处理会破坏芳纶的结构组成，如2号样在较高的压强、功率、时间处理下，纤维的静摩擦系数比未处理的还要小，断裂强力、断裂强度显著下降。

通过正交实验分析，得出空气低温等离子体处理芳纶的最佳条件是8号样的20Pa、50w、100s，此时芳纶的断裂强力基本保持不变，但是芳纶的静、动摩擦系数却是0.612、0.386，远比未处理的0.513、0.284好得多；从电镜照片也可以看出良好的刻蚀痕迹增加了芳纶的粗糙度。这样在保证不损坏芳纶强力的情况下，最大限度地提高了纤维表面的摩擦性能，为纤维的后续加工提供了便利，纱线更易抱和，与复合材料等更易粘接。

经等离子体处理的芳纶润湿性普遍高于未处理的芳纶，亲水性显著提高，未处理的1号样毛细管效应为9.97cm，9号样升到18.95 cm，升高了47.4%，且3号、7号、11号样的毛细管效应也比未处理的至少提升45%。亲水性的提高改善了芳纶的染色性能。

3 结束语

经过处理后的芳纶表面会发生刻蚀效应，产生平沟痕，并且会在等离子体的作用下产生刻蚀碎片以及隆起，摩擦系数大大增加，并且材料表面积以及粗糙度也会随之变化，但当时间过长或者功率过大，等离子会便会令芳纶本体结构显露出来，剥离产生的极性基因和沟槽而变得光滑。通过研究还发现处理功率越大，在断裂强力、伸长率以及强度上芳纶会呈现出递减的趋势，摩擦系数会相对下降；而处理时间越长，材料的摩擦系数会增大，但是断裂伸长率、强度、强力等性能都会降低，不过材料会获得较高的亲水性。

参考文献

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