低温等离子体处理对PBO纤维润湿性的影响

李健　杨建忠

摘要：为改善PBO纤维的润湿性，拓宽其应用领域，探究了空气低温等离子体处理对PBO纤维润湿性的影响。通过芯吸效应和接触角表征处理前后PBO纤维润湿性，并采用扫描电子显微镜（SEM）观察处理前后PBO纤维表面形貌，用X射线光电子能谱仪（XPS）对处理前后PBO纤维表面化学组成进行定性分析。实验结果表明，改性后PBO纤维芯吸高度大幅上升，接触角明显降低，并且在其表面产生明显刻痕，局部有剥离现象，改性后PBO纤维O、N元素含量均有所提高，PBO纤维润湿性明显增强。

关键字：PBO纤维；等离子体；芯吸效应；接触角；润湿性

聚聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）纤维是一种高性能纤维，具有高模、高强、耐高温等显著特点，被认为是21世纪的超级纤维[1～3]。PBO分子中含苯环及芳杂环，取向度高，PBO纤维表面光滑且缺少活性基团，本身呈化学惰性，润湿性差，这也导致了PBO纤维粘附性差，限制了其在复合材料及层压织物领域中的应用[3～8]。PBO纤维润湿性的改善对研究PBO纤维其他性能也有着重要意义。等离子体技术是一种物理干法处理手段，有高效、经济、环保等特点，在纺织材料表面改性中已有广泛的应用[9～13]。本文应用空气低温等离子体处理PBO纤维，探究PBO纤维润湿性的变化。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

均PBO纤维（HM，1.4D，日本东洋纺），去离子水，碳素墨水。

HD-1B型低温等离子体仪，常州新区等离子体公司；JSM-6700F扫描电子显微镜（SEM），日本电子株式会社；X射线光电子能谱仪（XPS）；JC2000C3型接触角测定仪，上海中晨数字技术设备有限公司；YG（B）871型毛细效应测定仪，温州大荣纺织仪器有限公司。

1.2 试样制备

芯吸实验试样制备与处理：将PBO纤维长丝剪切为25 cm，以丝束的形式并排粘在玻璃棒上，放入等离子体仪中。选取空气低温等离子体处理，共取24组试样，处理条件为：25 Pa（放电气压），200 W（放电功率），240 s（处理时间）。

测接触角试样制备与处理：将PBO纤维密铺排列在载玻片上，尽量保持平整，然后进行空气低温等离子体处理，共取8组试样，处理条件同芯吸实验。

1.3 测试方法

1）润湿性

芯吸高度测量：采用YG（B）871型毛细效应测定仪测量处理前后PBO纤维芯吸高度的变化。参考标准《FZ/T 0107—2008 纺织品毛细效应试验方法》。30 min测芯吸高度，碳素墨水作为指示剂。

接触角测量：采用JC2000C3型接触角测定仪测量处理前后PBO纤维与水的接触角。

2）PBO纤维表面形貌观察

采用JSM-6700F扫描电子显微镜（SEM）对处理前后PBO纤维表面进行观察。

3）PBO纤维表面化学成分分析

采用X射线光电子能谱（XPS）技术，分析经空气低温等离子体处理后PBO纤维表面成分的变化。在XPS谱图中，横坐标表示结合能，纵坐标表示强度。并测试出PBO纤维表面碳、氮、氧3种元素含量的变化。

2 结果与讨论

2.1 润湿性

2.1.1 芯吸效应

空气低温等离子体处理前后PBO纤维芯吸高度见表1。

由表1可以看出，经空气低温等离子体处理后，PBO纤维30 min的芯吸高度达9.11 cm，比未处理的芯吸高度增加了69.0%，润湿性明显增强。这与改性后PBO纤维表面形貌和基团的变化有着密切关系。

2.1.2 接触角

空气低温等离子体处理前后PBO纤维与水的接触角见表2。

由表2可以看出，经空气低温等离子体处理后，PBO纤维的接触角为27.44°，未处理的接触角为72.61，改性后接触角明显降低。这与改性后PBO纤维表面形貌和基团的变化有着密切关系。

观察发现，未处理PBO纤维表面水滴铺展速度较慢，400 ms甚至800 ms后，接触角的变化不大；而经处理后的PBO纤维，其表面水滴铺展迅速，80 ms后接触角迅速减小，200 ms后水滴完全铺展开来，进一步反映了等离子体处理后PBO纤维润湿性增强。

2.2 空气等离子体处理对PBO纤维表面形貌影响

采用扫描电镜（SEM）分析了空气等离子体处理对PBO纤维表面宏观形貌的影响，如图1所示。

从图1可以看出，未处理的PBO纤维表面光滑；处理后的PBO纤维表面凹凸不平，有刻痕和被剥离现象。空气等离子体处理PBO纤维表面发生了刻蚀作用，表面粗糙程度增加，这也印证了处理后的PBO纤维比表面积增加，有利于改善PBO纤维的润湿性。

2.3 空气等离子体处理对PBO纤维表面化学组成的影响

PBO纤维经空气低温等离子体处理后的XPS全扫描图见图2。谱图中电子结合能位于284.5 eV、400 eV、532 eV的谱峰分别是C、O、N元素的特征峰。

由图2可以看出，PBO纤维表面主要含有碳、氧、氮这3种元素。处理前后，谱图中C1s、O1s、N1s谱峰的峰高均发生了不同的变化，C1s谱峰的峰高明显降低。应用Thermo Avantage软件分析出经空气低温等离子体处理前后PBO纤维表面元素组成的变化，见表3。

将由表3可以看出，处理后PBO纤维O、N元素含量有所升高，C元素含量显著降低。O/C比从0.27增加到了0.63，N/C也从0.06增加到了0.09。这可能是由于空气等离子体中的活性粒子在PBO纤维表面发生了系列反应，生成含氧官能团、含氮官能团或接枝上了含氧基团，从而处理后PBO纤维表面极性增强，润湿性得到了改善。

3 结论

利用空气低温等离子体处理PBO纤维，改善了PBO纤维的润湿性能。经低温等离子体处理后的PBO纤维芯吸高度增加，接触角减小，表面被刻蚀，粗糙程度增加，比表面积增大，加快了纤维的润湿速度。PBO纤维表面元素组成和极性也发生改变，利于PBO纤维吸湿性的改善。通过低温等离子体处理，为PBO纤维表面性能的改善提供了条件，也增加了PBO纤维粘附性，对拓宽其应用领域具有积极意义。

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