收藏本站
《东华大学》 2008年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

常压等离子体对高性能纤维改性处理的时效性研究

任煜  
【摘要】: 低温等离子技术是近年来飞速发展的一种材料表面改性技术,能够改善材料表面的物理化学性质而不影响材料基体性能。作为一种清洁环保的处理技术,已经被广泛应用到改善高分子材料的润湿性、可染色性、可印刷性、生物相容性以及与树脂基体之间的粘结性能等领域。在各种等离子体处理设备中,常压等离子处理技术由于不需要使用复杂昂贵的真空设备,并可实现处理过程连续化,成为今后等离子技术的产业化发展方向。 但是在实际应用中等离子体处理技术存在着一个重要的问题,就是它对材料改性的效果并不持久,随着时间的推移部分处理效果会逐渐失去,我们称这种现象为等离子处理的时效性或老化。等离子处理的时效性产生的机理非常复杂,主要是由高分子材料表面的动态重组引起的。等离子体处理后,活性基团被引入高分子材料表面,使材料表面的自由能升高,但是这种状态并不稳定。为了降低表面自由能,材料表面的极性基团发生翻转或者分子链段产生迁移,从而使系统趋于稳定,在这一过程中材料获得的亲水性能逐渐失去。近年来许多学者对这一现象进行了研究并分析了影响等离子处理的时效性的因素。概括来讲,等离子处理的时效性主要受处理气体的种类、处理参数、被处理材料的化学成分、结晶结构以及处理后材料存储环境等的影响。 本研究将常压等离子处理技术应用于高性能纤维(主要是超高分子量聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维)的表面改性处理,以提高它们表面能、润湿性及其和树脂之间的粘结性能。通过一系列的表面分析测试方法,如接触角、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(ESR)、以及和树脂之间的界面剪切力(IFSS)等,在分析等离子处理后纤维材料表面的性能变化随时间和处理条件的变化的基础上,对常压等离子处理的时效性进行了系统深入的研究。 首先,为了研究常压射流等离子处理中气体成分对处理效果以及时效性的影响,本文选择超高模量聚乙烯纤维作为模型,研究了处理后0、7、14、21、40天内纤维表面性能变化情况。我们选择纯氦气、氦气+1%氧气、氦气+2%氧气为工作气体,处理时喷头温度为100℃,处理功率为10W,相对静止处理时间为1秒。经过等离子处理,纯氦气和氦气+1%氧气处理组的纤维和环氧树脂之间的界面粘结力是未处理样的3倍多,并且氦气+1%氧气处理组的值在三个处理组中最大,而氦气+2%氧气处理组的值仅比原样提高了80%。纤维表面粘结性能的提高主要是由于纤维表面粗糙度和含氧极性基团含量增加引起的,这两点分别由AFM和XPS测试得到验证。在试样处理后40天放置的过程中,我们发现在三组处理试样中,氦气+1%氧气处理组的纤维表面等离子处理效果最好,亲水性能丧失得最慢。而当加入2%的氧气时处理效果衰减而老化加速。此外,三种等离子体处理以后单根纤维的强力均没有产生显著变化。 本文还研究了介质阻挡放电(DBD)中处理时间对超高模量聚乙烯纤维表面性能的改善以及处理时效性的影响。四组试样分别经氩/氧等离子体处理30、60、90和120秒。研究表明等离子处理时间对处理效果以及时效性有显著影响。通过SEM观察发现随着处理时间的延长,纤维表面的刻蚀现象加剧并且接触角下降;然而,当处理时间超过60秒,接触角不再出现显著下降。随着处理时间的增加,等离子处理的时效性得到减缓。等离子处理后30天,90和120秒处理组的纤维和环氧树脂之间界面剪切力的下降低于30和60秒处理组,并且接触角和表面氧元素的含量也有着相应的变化规律。该结果可以解释为等离子处理时间对纤维表面被氧化层厚度的影响,即延长处理时间将会增加氧化层的厚度以及表面氧化的饱和程度,从而限制了表面亲水性极性基团向内部翻转。 为了研究等离子处理后存储环境对时效性的影响,本文选择超高模量聚乙烯纤维作为模型研究了等离子射流处理后0、7、15和30天纤维表面性能的变化。等离子处理后纤维被放置在相对湿度为0%,温度分别为-80℃、20℃和80℃;以及温度为20℃,相对湿度分别为0%、65%和100%的环境中。等离子刚处理后SEM、XPS、接触角以及界面剪切力测试分别显示材料表面粗糙度、氧元素含量、润湿性能以及粘结性能增加。在存储的过程中,纤维表面的接触角增加而界面剪切力下降,其变化速度随着存储环境相对湿度的上升以及温度的下降变缓。该结果可以被解释为在较高的相对湿度和较低的温度下,纤维表面的极性基团的翻转和分子链段的迁移受到限制。 常压等离子处理过程中和低压等离子处理的一个很大区别在于试样置于外界大气环境中,会吸收外界环境中的水分而使材料保持一定的回潮率,使等离子处理效果受到影响。而对于以往的低压等离子体技术,试样在处理前需要被干燥以达到所需的真空度,所以不需要考虑水分的存在对处理效果的影响。本文研究了常压等离子处理过程中,芳纶纤维的回潮率对处理效果以及时效性的影响。用常压等离子射流处理装置对不同回潮率的Kevlar49纤维(回潮率分别是0.5%、3.5%和5.5%)进行处理,在氦气中加入氧气作为工作气体。当等离子处理刚完成后,SEM、ESR和XPS测试结果分别显示纤维表面粗糙度,自由基数量和含氧百分比显著增加。并且纤维表面粗糙度,自由基数量和含氧百分比随着回潮率的增加而增加,而接触角随回潮率的增加而下降。这表明在常压等离子处理过程中芳纶纤维所含的水分能够促进表面刻蚀并对表面化学改性起到积极的影响作用。同时,本文研究了芳纶纤维在常压等离子处理后30天表面性能的衰变过程。在30天末,和另两组试样相比回潮率为5.5%的纤维具有更低的接触角并且表面留有更多的极性基团,此时它和环氧树脂之间的界面剪切力仍然比未处理试样高出75%;而对于回潮率为3.5%和0.5%的纤维,该值仅比原样提高30%。因此在常压等离子处理过程中,被处理材料的回潮率对处理后纤维表面老化过程有着显著的影响。对于芳纶纤维材料,回潮率越高,所含水分越多,越有利于表面微孔结构的生成。在等离子处理过程中极性基团易于在这些表面微孔中生成,使纤维表面被氧化部分的比例得到提高,从而使时效性得到减缓。 最后,本文以超高模量聚乙烯纤维为模型,采用乙醇、二甲基亚砜(DMSO)和正癸烷等有机溶剂分别对纤维进行预处理,然后再进行常压等离子处理。研究了预处理对等离子处理效果以及时效性的影响。激光共焦显微镜(LSCM)分析表明,在经过常压等离子体射流处理以后,对于经过二甲基亚砜和正癸烷预处理过的超高模量聚乙烯纤维,更多的荧光染料从表面渗透到纤维内部。同时,X射线光电子能谱分析测试显示等离子处理后这两组纤维表面的氧元素的百分含量比直接处理和经乙醇预处理过的纤维高。同时,用二甲基亚砜和正癸烷预处理能够减缓等离子处理后纤维表面性能的衰退。在等离子处理后30天,这两组纤维有更高的表面氧元素百分含量以及和环氧树脂之间的界面剪切力,同时接触角更小。经有机溶剂中浸泡后,溶剂对纤维表面产生溶胀作用,使得材料表面的大分子间作用力和结晶度下降,同时增加了纤维表面的微孔,这些因素都有可能促进等离子体与材料表面相互作用并且增加被氧化层的厚度。 综上所述,本论文通过一系列先进的表面分析测试手段,对经常压等离子处理后两种高性能纤维的表面性能进行了分析研究,并对常压等离子处理的时效性进行了深入探讨。本文认为除了存储环境的温度和相对湿度外,等离子处理的时效性主要受被处理高分子材料表面非晶区的尺寸,表面大分子间作用力,处理后表面分子交联度,以及被氧化层的厚度等的影响。在实际生产应用中,我们可以通过控制存储条件并且采取最优工艺参数,促进等离子体与材料表面的相互作用并且增加被氧化层厚度,使等离子处理获得最佳效果并将时效性降低到最小程度。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TS195

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 庄维伟;乔咏梅;庄弘炜;;UHMWPE纤维的表面改性及其在网式阻车器中的应用[J];玻璃钢/复合材料;2012年01期
2 王振欣;梁小平;王月然;任婉婷;付中玉;李健;聂锦梅;;低温等离子体改性效果时效性的研究进展[J];纺织学报;2011年02期
3 田孟琪;杨建忠;;等离子体处理超高相对分子质量聚乙烯纤维[J];合成纤维;2013年04期
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 陈亏;改性处理对玻纤/ePTFE覆膜滤料热压复合性能的影响[D];东华大学;2011年
2 陈明新;PBO纤维表面等离子体改性及PBO/BMI复合材料界面粘结性能的研究[D];大连理工大学;2012年
3 李洪霞;等离子体改性船体钢表面及其对涂层结合力影响规律的研究[D];中国海洋大学;2012年
4 董瑞;PVDF/PTFE复合膜的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2013年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 朱丹;王耀先;张兴鲁;程树军;;PCH/UHMWPE复合材料的性能研究及应用[J];工程塑料应用;2009年03期
2 刘鹏,张丽惠;等离子体技术在固定化酶载体材料中的应用[J];安康师专学报;2003年01期
3 王雨化;侯中宇;回兵;徐东;;碳纳米管微电极的直流介质阻挡放电特性[J];微纳电子技术;2011年01期
4 欧阳吉庭;曹菁;何锋;;共面型介质阻挡放电的击穿特性[J];北京理工大学学报;2005年S1期
5 欧阳吉庭;缪劲松;;氧气沿面放电臭氧合成机理[J];北京理工大学学报;2005年S1期
6 胡又平;李格升;缪劲松;严立;范世东;高孝洪;;锥齿形电极介质阻挡放电特性的研究[J];北京理工大学学报;2008年11期
7 沈利新;孙珮琼;;地面雷达罩材料的发展[J];玻璃钢;2007年03期
8 周正刚;;高性能有机纤维表面等离子体改性研究[J];玻璃钢/复合材料;2009年01期
9 孟江燕;李伟东;王云英;;低温等离子体表面改性高分子材料研究进展[J];表面技术;2009年05期
10 J.KARUPPIAH;L.SIVACHRANDIRAN;R.KARVEMBU;Ch.SUBRAHMANYAM;;催化等离子体反应器中低浓度硝基苯的消除(英文)[J];催化学报;2011年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张虹;纪天一;张仁熙;侯惠奇;;套管式DBD等离子体耦合准分子紫外光解技术处理异味气体的研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
2 李皓;万怡灶;何芳;黄远;王玉林;周福刚;;三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的表面等离子体处理[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
3 唐丽华;江渊;李鑫;王荣民;;空气等离子体引发丙烯酰胺接枝改性聚丙烯非织造布[A];第七届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2007年
4 姜鑫;杨振国;;地面雷达罩材料的研究进展[A];第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C];2005年
5 李建雄;李阳洋;刘安华;;准分子真空紫外改善材料表面结构与性能的研究[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
6 何铁石;周正发;徐卫兵;;常压等离子体用于水处理的研究[A];安徽节能减排博士科技论坛论文集[C];2007年
7 冯祥芬;朱绍龙;侯惠奇;;平面型氙准分子灯特性及其在降解水相枣红中的应用[A];中国长三角照明科技论坛论文集[C];2004年
8 欧阳吉庭;曹菁;何锋;;共面型介质阻挡放电的击穿特性[A];中国物理学会静电专业委员会第十二届学术年会论文集[C];2005年
9 欧阳吉庭;缪劲松;;氧气沿面放电臭氧合成机理[A];中国物理学会静电专业委员会第十二届学术年会论文集[C];2005年
10 刘程;张芝涛;王南飞;谷建龙;;同轴搪瓷介质阻挡放电发射光谱诊断[A];中国物理学会静电专业委员会第十三届学术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张春明;常压等离子体处理涤纶织物的颜料喷墨印花性能研究[D];江南大学;2010年
2 陈琳;低温等离子体催化氧化甲烷合成甲醇的应用基础研究[D];浙江大学;2010年
3 仰云峰;聚丙烯微孔膜的表面亲水化及其抗污染性能研究[D];浙江大学;2010年
4 张迎晨;纤维表面与内部纳米尺度界面构建及多尺度测量表征[D];东华大学;2010年
5 王旭;基于声发射技术的聚乙烯自增强复合材料损伤模式识别研究[D];东华大学;2010年
6 杨平;常压等离子体聚合共轭聚合物荧光纳米颗粒的研究[D];东华大学;2010年
7 王春莹;聚酯低温等离子体表面改性及喷墨印花应用性能研究[D];江南大学;2011年
8 刘媛;冷等离子体脱除分子筛模板剂研究[D];天津大学;2010年
9 吕晓桂;大体积均匀纳秒脉冲放电等离子体及制备碳纳米颗粒的研究[D];大连理工大学;2011年
10 王奇;大气压辉光放电模式及均匀性数值模拟研究[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 储婷;聚乙烯纤维修复前磨牙近中牙合面洞型的抗力研究[D];南京医科大学;2010年
2 郭艳花;DBD等离子体导电特性研究[D];郑州大学;2010年
3 王天威;液体电极沿面放电等离子体灭活大肠杆菌的研究[D];大连理工大学;2010年
4 汪星星;DBD等离子体降解活性炭吸附的五氯酚及再生活性炭研究[D];大连理工大学;2010年
5 崔强;臭氧果蔬保鲜设备的研制[D];大连理工大学;2010年
6 那刚;线筒式脉冲电晕放电对混合VOCs降解的研究[D];大连理工大学;2010年
7 郝寅虎;等离子体改性聚乙烯浸润性的老化过程研究[D];大连理工大学;2010年
8 孟诺;沿面—填充床复合放电等离子体催化降解苯[D];大连理工大学;2010年
9 方勇;聚丙烯基复合材料填料的开发[D];华东理工大学;2011年
10 张小康;超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料的性能研究[D];华东理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 益小苏;张明;安学锋;刘立朋;;先进航空树脂基复合材料研究与应用进展[J];工程塑料应用;2009年10期
2 谢苏江;王科;许丽;;新型微孔聚四氟乙烯密封板材的研制与应用[J];工程塑料应用;2009年11期
3 秦岩;贾金荣;黄志雄;;钠-萘化学处理与低温射频等离子体处理PTFE[J];工程塑料应用;2011年07期
4 陈健;张江;高善民;曲荣君;;溶胶-凝胶旋涂法制备ITO薄膜[J];微纳电子技术;2007年03期
5 肖珩,汪崧,黄震中,林定一;新型耐海水腐蚀低合金钢10CrCuSiV锈层分析研究报告[J];北京科技大学学报;1997年05期
6 沈利新;孙珮琼;;聚合物基复合材料界面理论的进展[J];玻璃钢;2011年04期
7 黄发荣,焦扬声;耐高温树脂基体——双马来酰亚胺的研究进展[J];玻璃钢/复合材料;1992年02期
8 孙文强,曾辉,牛兰刚,顾有伟;耐高温复合材料用玻璃纤维表面处理研究(1)——酸碱刻蚀处理的研究[J];玻璃钢/复合材料;2000年01期
9 黄志雄,秦岩,张联盟;聚氨酯弹性体改性双马来酰亚胺树脂的研究[J];玻璃钢/复合材料;2002年02期
10 乔咏梅;陈立新;吴大云;王斌;;PBO纤维表面改性方法的研究[J];玻璃钢/复合材料;2006年06期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 牛家嵘;智能型抗浸透湿织物的开发与研究[D];天津工业大学;2005年
2 张维;等离子体法制备抗感染医用高分子材料的研究[D];中国科学院研究生院(理化技术研究所);2007年
3 季卫刚;硅烷直接改性环氧涂层的防护性能及其作用机制[D];浙江大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 黄明;低温等离子体对氟橡胶表面改性研究[D];四川大学;2003年
2 唐晓亮;连续材料改性处理常压等离子体中试装置的研发[D];东华大学;2005年
3 叶飞鹏;PVDF/PTFE复合膜驻极体性能的研究[D];浙江大学;2006年
4 田普锋;聚四氟乙烯拉伸微孔膜的制备、结构与性能[D];西北工业大学;2006年
5 周荃;常压等离子体对高分子材料表面刻蚀的研究[D];东华大学;2007年
6 廖勇波;双马来酰亚胺树脂分子复合材料的研究[D];中北大学;2007年
7 孙勐;LDHs薄膜的旋涂法制备及其防腐蚀性能研究[D];北京化工大学;2007年
8 杨志禄;抗凝血性等离子体聚烯丙胺薄膜的制备及性能研究[D];西南交通大学;2008年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 田孟琪;杨建忠;;空气冷等离子体处理对UHMWPE纤维性能与结构的影响[J];高科技纤维与应用;2013年04期
2 张贵忠;梁文城;徐建锋;马长城;杨文斌;;纯PETG和PETG/竹粉复合材料表面等离子体预处理的研究[J];福建林学院学报;2014年02期
3 李刚;;UHMWPE纤维表面复合处理对水泥砂浆性能的影响[J];工程与建设;2014年04期
4 杨建忠;田孟琪;;低温等离子体处理对高强聚乙烯纤维表面影响的研究[J];高科技纤维与应用;2014年04期
5 张茜;沈新元;;乙二胺与氮气混合气体等离子体改性壳聚糖-聚丙烯腈复合纳滤膜[J];材料导报;2014年22期
6 陶岩;王辉;邸明伟;;贮存环境对PE-WPC等离子体处理时效性的影响(Ⅱ)——表面元素分析[J];粘接;2011年12期
7 田孟琪;杨建忠;;等离子体处理超高相对分子质量聚乙烯纤维[J];合成纤维;2013年04期
8 王洪艳;杜官本;韩永国;;DBD冷等离子体处理云南松表面时效性研究[J];粘接;2013年03期
9 王霞;瞿如敏;陈浩;杨林军;冒咏秋;;膜法吸收燃煤烟气中CO_2之膜润湿机理及其改性研究[J];化工新型材料;2014年06期
10 成攀娇;李莺;张杰;丁祉悦;石建军;张菁;邱夷平;;介质阻挡放电等离子体用于苎麻纤维表面改性研究[J];纺织科技进展;2012年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 贾彩霞;空气DBD等离子体对芳纶表面及其增强复合材料界面的改性研究[D];大连理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 邓晓清;等离子体对铝片表面改性及其引发聚合的研究[D];武汉工程大学;2011年
2 黄家润;PTFE建筑膜结构材料的生产与性能研究[D];东华大学;2012年
3 成攀娇;生物可降解苎麻/PBS复合材料的制备及性能研究[D];东华大学;2013年
4 魏寒;超高分子量聚乙烯在γ射线作用下的预辐照接枝改性[D];东华大学;2013年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;在线等离子处理[J];国外塑料;2004年09期
2 刘菊艳;;常压下材料表面的等离子处理[J];飞航导弹;1988年11期
3 史蒂芬L·卡普兰;黄立敏;;气体等离子处理提高塑料部件的粘结力[J];国外塑料;1990年02期
4 徐网大;等离子处理可延长车轮使用寿命2倍[J];国外机车车辆工艺;1999年06期
5 吴绍兵;李莉;;冷等离子处理碳纤维及其复合材料的性能[J];山东建材学院学报;1991年02期
6 林化春;丁润刚;;等离子处理对灰铸铁显微组织的影响[J];青岛建筑工程学院学报;1992年01期
7 俞科静;曹海建;钱坤;王娟娟;李鸿顺;;常压等离子处理碳纤/玻纤间隔织物的效果表征[J];材料科学与工程学报;2012年04期
8 石社正;等离子处理对金属化薄膜阻透性能的影响[J];塑料包装;2004年02期
9 ;在线等离子处理技术可改善2K模塑[J];橡塑技术与装备;2004年10期
10 田冶;杨菊林;杨媛;周长忍;;聚乳酸膜氨等离子处理的表面性能[J];化工进展;2007年08期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 陈伟;;清洁纺织等离子处理技术及设备[A];“科德杯”第六届全国染整节能减排新技术研讨会论文集[C];2011年
2 凌国伟;王万泉;倪翰;;材料表面等离子处理技术发展趋势和特点[A];第四届全国表面工程学术交流大会论文集[C];2001年
3 陈尔凡;陈少静;马驰;徐军;王娜;赵常礼;田雅娟;;低温常压空气等离子处理织物阻燃技术[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2010年
4 石社正;;等离子处理对金属化薄膜阻隔性能的影响[A];中国包装技术协会研讨推广会暨塑料包装委员会第六届第三次年会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 王玉君 张学刚 记者 张庆春;东丰县帮助农民全面抓好备耕生产[N];辽源日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 任煜;常压等离子体对高性能纤维改性处理的时效性研究[D];东华大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 葛亮;水膜、氢氧化钠、氨水和冰醋酸对超高模量聚乙烯纤维常压等离子处理效果的影响[D];东华大学;2009年
2 陈志川;La_(1-x)Ca_xMnO_3薄膜微结构及温度—电阻特性的研究[D];电子科技大学;2006年
3 武金宝;机动车尾气中NO_x污染物的低温储存材料研制及脱除机理研究[D];燕山大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026