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高強(qiáng)高模聚酰亞胺(PI)纖維具有突出的力學(xué)性能、耐高低溫、耐老化和低吸水、低介電、高絕緣等性能特點(diǎn),是綜合性能優(yōu)異、發(fā)展?jié)摿ν怀龅母咝阅苡袡C(jī)纖維,能夠在航空航天及電力電子等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,是應(yīng)用前景廣闊的關(guān)鍵材料。與現(xiàn)有的高性能有機(jī)纖維相比,PI纖維能夠彌補(bǔ)超高分子量聚乙烯纖維耐熱性低、抗蠕變性差的缺點(diǎn),不存在芳綸纖維吸水率高、熱變形程度大的問題,耐環(huán)境特別是耐紫外輻照性能優(yōu)于PBO纖維。

在擁有上述多項(xiàng)優(yōu)勢的同時(shí),PI纖維也存在有機(jī)纖維的共性問題。聚酰亞胺大分子鏈中交替分布著大量的由酰亞胺五元環(huán)和芳環(huán)構(gòu)成的剛性共軛環(huán)狀結(jié)構(gòu),酰亞胺鍵連接的長直分子鏈段結(jié)構(gòu)規(guī)整,具有高度穩(wěn)定性,分子鏈間作用力強(qiáng)。上述結(jié)構(gòu)特性使得PI纖維在具有較高強(qiáng)度和模量的同時(shí),也導(dǎo)致PI纖維取向度高,分子鏈中極性基團(tuán)向內(nèi)反轉(zhuǎn),纖維表面平整光滑,PI纖維整體表現(xiàn)為低表面能、高度疏水和化學(xué)惰性。高性能纖維的主要應(yīng)用方向之一是作為復(fù)合材料增強(qiáng)相使用。PI纖維的表面特性不利于樹脂基體的浸潤與復(fù)合。與樹脂固化制成復(fù)合材料后,PI纖維與樹脂基體間的界面結(jié)合效果也會受此影響樹脂基體無法將作用力充分傳遞至增強(qiáng)纖維,進(jìn)而導(dǎo)致纖維至復(fù)合材料性能轉(zhuǎn)化率低。此外,PI纖維與一般有機(jī)纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)類似,存在原纖排布構(gòu)成的皮芯結(jié)構(gòu),纖維皮層及芯層的性能差異與結(jié)合狀態(tài)同樣會導(dǎo)致復(fù)合材料在受到層間剪切及橫向拉伸作用力時(shí)容易出現(xiàn)脫粘及剝離現(xiàn)象,為復(fù)合材料性能帶來不利影響。針對這一問題,可以通過等離子處理技術(shù)對纖維表面進(jìn)行重構(gòu),改善表面性能。

等離子體表面處理對纖維表面形貌的影響分析

等離子體處理前后的PI纖維樣品表面微觀形貌如圖1所示,從SEM圖中可以看出未經(jīng)處理的空白對照組PI-0的纖維表面除少量黏附物外整體平整光滑,無明顯起伏凹凸結(jié)構(gòu),原纖排布形成的溝槽紋理不明顯;經(jīng)過等離子體表面處理的樣品纖維表面黏附物增多,隨著處理時(shí)間延長進(jìn)一步出現(xiàn)溝槽紋理加深,皮層原纖出現(xiàn)微裂紋及部分剝離,纖維皮層沿軸向開裂等現(xiàn)象。

圖1　PI纖維等離子體表面處理前后的SEM圖

從纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,纖維表面粗糙度增加有利于樹脂基體對纖維束的浸潤,強(qiáng)化兩者復(fù)合后的界面結(jié)合效果,提高復(fù)合材料性能。

等離子體表面處理對PI纖維與環(huán)氧樹脂浸潤效果的影響

通過動態(tài)接觸角測試表征等離子體改性前后環(huán)氧樹脂對PI纖維浸潤效果的變化,測試結(jié)果如圖2所示。根據(jù)測試結(jié)果可知,未經(jīng)等離子處理的空白對照組PI-0纖維在環(huán)氧樹脂液體中的接觸角為137°;隨著等離子體表面處理時(shí)間的增加,改性后的PI纖維在環(huán)氧樹脂液體中的接觸角呈現(xiàn)下降趨勢;等離子體處理10min的PI-10實(shí)驗(yàn)組纖維的接觸角下降到44°,下降幅度達(dá)到76.9%。測試結(jié)果表明大氣等離子體表面處理能夠改善環(huán)氧樹脂對PI纖維的浸潤效果;隨著等離子體處理時(shí)間增加,環(huán)氧樹脂對PI纖維的浸潤效果越好。

圖2　等離子體處理前后的PI纖維與環(huán)氧樹脂的接觸角

針對聚酰亞胺(PI)纖維低表面能及PI纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料界面性能差的問題,可以采用等離子體處理技術(shù)對PI纖維進(jìn)行表面改性，通過等離子體表面處理能夠改善PI纖維與環(huán)氧樹脂的浸潤及界面結(jié)合狀態(tài),并對PI纖維表面形貌進(jìn)行重構(gòu),優(yōu)化PI纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合效果。