空气等离子体处理芳纶Ⅲ的性能研究

王红红，孙润军

(西安工程大学，陕西 西安 710048)



空气等离子体处理芳纶Ⅲ的性能研究

王红红，孙润军

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

比较了国产芳纶Ⅲ与芳纶1414以及进口Twaron纤维的表面性能；采用空气等离子体处理技术对芳纶Ⅲ的表面进行改性，研究了空气等离子体处理工艺条件以及处理前后芳纶Ⅲ的结构与性能的变化。结果表明：国产芳纶Ⅲ的表面存在不均匀的浅沟槽，比芳纶1414和Twaron纤维表面粗糙，其表面浸润性较差，但却优于芳纶1414和Twaron纤维；空气等离子体处理芳纶Ⅲ的最佳条件为放电功率65 W，空气放电气压2 000 Pa，处理时间11 min，在此条件下处理的芳纶Ⅲ表面接触角由未处理时的55.8°降至41.5°，纤维的浸润性能得到改善，而其力学性能和大分子结构不受影响。

芳纶Ⅲ 对位芳纶 空气等离子体 表面形貌 浸润性 力学性能 大分子结构 表面改性

芳纶Ⅲ是将第三单体即5(6)-胺基-2-(4-胺基苯基)苯并咪唑引入聚对苯二甲酰对苯二胺的大分子链上进行共缩聚[1-2]，并改进纤维成形加工工艺，从而得到的一种新型三元共聚聚酰胺纤维。第三单体的嵌入使得聚酰胺大分子链得到改性，提高了产品的综合性能[3-4]。纤维表面是纤维材料接受外界作用时的直接承载部位，是呈现纤维集合体性能特征的基础。纤维表面粗糙，会增强纤维丝束中单丝之间的抱合力，从而使得纤维束的拉伸强度增大[5]；纤维表面轻微的刻蚀，将提高纤维材料的浸润性；纤维表面若有严重的裂纹、孔洞等缺陷，则会有损纤维的强度和模量，从而影响纤维制品的质量。作者对国产芳纶Ⅲ的表面形态和浸润性能进行了测试，并与2种对位芳纶进行对比，研究了3种芳纶之间的表面形态差异，同时对芳纶Ⅲ的表面进行了改性处理研究，为其今后的加工使用提供了参考。

1 实验

1.1 试样

芳纶Ⅲ：线密度为2.23 dtex，密度为1.443 g/cm3，中蓝晨光化工研究院产；芳纶1414：线密度为1.68 dtex，密度为1.437 g/cm3，山东烟台泰和新材料有限公司产；Twaron纤维：线密度1.74 dtex，密度为1.450 g/cm3，日本帝人公司产。

1.2 仪器与设备

HPD-280型辉光放电低温等离子体表面处理器：南京苏曼电子有限公司制；OCA40Micro型光学接触角测量仪：德国Dataphysics公司制；Instron5565万能强力机：美国Instron公司制；Quanta-450-FEG场发射扫描电镜(SEM)：美国FEI公司制；Spotlight 400 & Frontier FT-IR傅里叶变换红外显微材料成像分析系统：美国Perkin Elmer公司制。

1.3 试样的预处理

将3种芳纶分别用无水乙醇浸泡24 h，再用超声波清洗30 min，然后用去离子水清洗掉上面的乙醇试剂，置于90 ℃的烘箱中烘干备用。

1.4 芳纶Ⅲ的表面改性

利用辉光放电低温等离子体表面处理器(放电最大功率即Pmax为150 W)对芳纶Ⅲ表面进行改性处理。处理条件：以空气为放电气体，设定放电气压为2 000 Pa。

(1)保持等离子体处理的放电功率为45 W，考察国产芳纶Ⅲ分别经由5，8，11 min不同时间的处理效果，从中获得最优处理时间。

(2)保持等离子体处理的时间为最优时间，考察国产芳纶Ⅲ经由45，65，85 W不同放电功率的处理效果，从中获得最优处理功率。

1.5 分析测试

纤维表面浸润性：采用光学接触角测量仪对芳纶的表面浸润性进行测试。以纤维表面与水的接触角(θ)来表征纤维表面的浸润性能。θ越小，其浸润性越好。测量纤维表面浸润性的液体选用去离子水。

强伸性能：采用万能强力机对改性处理过的芳纶Ⅲ的强伸性能进行测试表征。设定芳纶单纤维强力测试的拉伸速度为20 mm/min，夹持距离为20 mm，预加张力为0.2 cN，每种试样测试根数为50根，结果取其平均值。

纤维表面形貌：采用SEM对处理前后芳纶Ⅲ的表面形貌进行观察研究，放大倍数为12 000。

红外光谱：将最佳等离子体处理条件下的芳纶Ⅲ进行红外光谱扫描，并与处理前的芳纶Ⅲ进行对比分析。扫描波数为650～4 000 cm-1，分辨率为 2 cm-1，扫描次数为16。

2 结果与讨论

2.1 芳纶的表面性能

2.1.1 表面形貌

由图1可见，芳纶1414及Twaron纤维表面光滑，而芳纶Ⅲ表面沿纤维轴向存在不连续且深浅不一的沟槽，相对于另外两种对位芳纶而言，其表面较为粗糙。

图1 芳纶表面形貌SEM照片Fig.1 SEM images of surface morphology of aramid fiber

这是由于芳纶Ⅲ是经湿法纺丝工艺而获得，

在纺丝之后的热处理阶段，溶剂挥发而形成纤维表面不均匀的浅沟槽[8]。此表面的沟槽非常浅，不会影响纤维本身的强度，但却增加了纤维表面的粗糙程度，有利于增强纤维集合体中单丝之间的抱合力。

2.1.2 表面浸润性

由表1可见，相对芳纶1414及Twaron纤维，芳纶Ⅲ表面与水的θ最小为55.8°，说明芳纶Ⅲ的表面浸润性优于芳纶1414和Twaron纤维，这与芳纶Ⅲ大分子链上的亲水基团有关。SEM照片也显示芳纶Ⅲ表面存在不均匀的浅沟槽，比芳纶1414和Twaron纤维粗糙，这也有助于提高其表面的浸润性。虽然芳纶Ⅲ的浸润性比2种对位芳纶略好，但其仍属于亲水性较差的纤维。

表1 芳纶表面与水的θ

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

纤维品种θ/(°)芳纶Ⅲ55．8芳纶141462．2Twaron纤维64．6

2.2 芳纶Ⅲ的等离子体表面改性处理

2.2.1 处理时间

从表2可见：不同处理时间下，等离子体处理对芳纶Ⅲ的强伸性能影响较小，其断裂强度保持率在97.92%以上，断裂伸长率基本不变；随着处理时间的延长，芳纶Ⅲ表面与水的θ逐渐变小，其浸润性越好；当处理时间为11 min时，芳纶Ⅲ的强伸性能略有下降，不影响其原有力学性能，而其θ下降到49.3°，浸润性改善最好，因此最优处理时间为11 min。

表2 不同处理时间下芳纶Ⅲ的性能

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

处理时间/min θ/(°)断裂强度/(cN·dtex-1)断裂强度变异系数，%断裂强度保持率，%断裂伸长率，%断裂伸长变异系数，%断裂伸长保持率，%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：空气放电气压为2 000 Pa，放电功率45 W。

2.2.2 放电功率

由表3可见：随着放电功率的增大，芳纶Ⅲ表面与水的θ逐渐减小，纤维表面浸润性逐渐改善，纤维断裂伸长率变化不大，但断裂强度随之下降；当放电功率为65 W时，纤维表面与水的θ相对于放电功率为45 W时大幅度减小，而强伸性能下降不多；当放电功率为85 W时，虽然纤维表面与水的θ相对于放电功率为65 W时有所减小，但浸润性改善幅度不大，而纤维断裂强度保持率降至93.45%，此时强度存在不容忽略的损伤。综合考虑国产芳纶Ⅲ的浸润性和强伸性，则最优放电功率为65 W。

表3 不同放电功率下芳纶Ⅲ的性能

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

放电功率/W θ/(°)断裂强度/(cN·dtex-1)断裂强度变异系数，%断裂强度保持率，%断裂伸长率，%断裂伸长变异系数，%断裂伸长保持率，%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：空气放电气压为2 000 Pa，处理时间11 min。

综上所述，对芳纶Ⅲ进行等离子体处理的最佳条件为放电功率65 W，空气放电气压2 000 Pa，处理时间11 min，在此最佳条件下测得的芳纶Ⅲ表面与水的θ为41.5°。

2.2.3 等离子体处理后纤维的表面形貌

由图2可看出，最佳条件等离子体处理后芳纶Ⅲ的表面发生了明显的刻蚀，其表面粗糙程度明显增加，这将有利于液体在纤维上附着，从而改善纤维表面浸润性能。

图2 等离子体处理后芳纶Ⅲ的表面形貌Fig.2 Surface morphology of aramid fiber Ⅲ after plasma treatment

2.2.4 等离子体处理前后纤维的结构

由图3可以看出，处理前后的芳纶Ⅲ的红外光谱谱带位置和形状完全一致，说明等离子体处理并未改变芳纶Ⅲ的内部大分子结构。

图3 等离子体处理前后芳纶Ⅲ的红外光谱Fig.3 Infrared spectra of aramid fiber Ⅲ before and after plasma treatment1—处理前；2—处理后

但是处理前后纤维的红外谱带吸收峰的高低略有变化，这是由于等离子体处理使得纤维表面大分子中极性基团的含量改变而引起。等离子体放电气体中的高能粒子与纤维表面发生碰撞，使得纤维表面大分子解离产生自由基，此种自由基的活性很大，可与空气中的氧反应而产生羧基等极性基团[9]。这些极性基团对水有很好的亲和力，由此纤维表面浸润性能提高。

3 结论

a. 芳纶Ⅲ的表面存在沿纤维轴向不均匀的浅沟槽，相对芳纶1414和Twaron纤维，表面较为粗糙，这有利于芳纶Ⅲ增强复合材料提高纤维与基体的粘结强度。

b. 通过测试芳纶Ⅲ表面与水的θ，可知其表面浸润性能优于芳纶1414和Twaron纤维，但仍属于疏水性纤维的范畴。

c. 采用等离子体对芳纶Ⅲ表面进行改性，其最佳处理条件为：放电功率65 W，空气放电气压2 000 Pa，处理时间11 min，在此条件下等离子体处理芳纶Ⅲ，其纤维表面受到明显刻蚀，纤维表面与水的θ从未处理时的55.8°下降至41.5°，浸润性得到较大改善，而强伸性能变化不大。

d. 红外光谱分析表明，芳纶Ⅲ经等离子处理后，其内部大分子结构没有发生改变。

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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。

王红红(1989—)，女，助理工程师，从事纺织材料与纺织品设计研究。E-mail：344015824@qq.com。

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1001- 0041(2016)06- 0030- 04