專利名稱:纖維、織物及薄膜表面冷等離子體連續(xù)處理工藝的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于纖維、織物及薄膜表面冷等離子體連續(xù)處理的新工藝，用來改善它們的表面性能。
眾所周知纖維在增強(qiáng)樹脂基體前一定要進(jìn)行表面處理，從而使纖維表面具有較好的浸潤性和粘結(jié)性來獲得較高的層間剪切強(qiáng)度，保證較佳的復(fù)合效果，用于包裝等行業(yè)的薄膜也存在需表面處理的問題。尤其是隨著航天、航空及交通運(yùn)輸業(yè)，醫(yī)療和體育用品對特種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料-碳纖維、石墨纖維和芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的迫切需要，使得表面處理的問題越來越突出。
特種纖維具有非常高的比強(qiáng)度和比模量。但由于他們的表面惰性大，浸潤性和粘結(jié)性都很差，這使得特種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度很低，性能分散性也大，影響了特種纖維優(yōu)異力學(xué)性能在復(fù)合材料中的發(fā)揮，也就限制了這種先進(jìn)復(fù)合材料的使用。因此，尋找一種行之有效又可工業(yè)化的表面處理方法來改善纖維的表面性能，提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度成為一個(gè)影響這種先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。
常規(guī)的表面處理方法有氣相氧化法、液相氧化法、表面涂層法、表面化學(xué)氣相沉積法、表面接技法、表面電沉積法等。但這方法分別存在有處理效果差、處理效率低、工藝復(fù)雜、操作復(fù)雜、環(huán)境污染、費(fèi)用昂貴及難以工業(yè)化等缺點(diǎn)。而冷等離子體表面處理法和這些方法相比則有其獨(dú)特的優(yōu)越性。
1、由于是氣相與固相反應(yīng)，避免了液體試劑的使用，經(jīng)濟(jì)、安全、無公害，沒有三廢處理的問題。
2、表面處理一步完成，操作簡單。而且處理僅影響表面性能，對本體幾乎不發(fā)生作用，因此，等離子體處理時(shí)對本體性能幾乎不發(fā)生影響。
3、處理時(shí)間短、效果好，適應(yīng)面廣泛且易于工業(yè)化。
但到目前為止，國內(nèi)外現(xiàn)有的有關(guān)技術(shù)都無法達(dá)到工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的要求。本發(fā)明的目的就是要提供一種行之有效的、可工業(yè)化的纖維、織物、薄膜表面冷等離子體連繼處理新工藝。
本發(fā)明是對纖維束、纖維帶、薄膜進(jìn)行連續(xù)表面處理的新技術(shù)工藝。以纖維、織物的處理為例，等離子體處理裝置包括束絲分離器，真空密封系統(tǒng)，真空計(jì)，充排氣系統(tǒng)和等離子發(fā)生器。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已和本發(fā)明同時(shí)申請專利。送絲系統(tǒng)將多束纖維(纖維束數(shù)不限)同時(shí)連續(xù)地通過束絲分離器進(jìn)入等離子體處理裝置。收絲系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)相配合，將處理好的纖維連續(xù)收起，根據(jù)需要還可在收絲系統(tǒng)前加一浸膠系統(tǒng)。束絲分離器可保證多束纖維同時(shí)地、平行地、不重迭地進(jìn)入處理裝置。真空密封系統(tǒng)和充排氣系統(tǒng)保證在指定真空度和氣氛下產(chǎn)生冷等離子體。等離子體發(fā)生器的振動(dòng)頻率為13.56MHZ，為電容耦合式，功率為30～3000W。系統(tǒng)真空度為1-10-2Torr，處理氣氛即可是惰性氣體(He、Ar、N2等)也可為活性氣體(O2、CO2、NH3空氣等)。處理時(shí)間可為1S～30min。
在冷等離子體中含有豐富的反應(yīng)活性物質(zhì)。如紫外線、自由基、活化了分子和原子、離子、電子等。當(dāng)它們和被處理固體表面作用時(shí)，可在其表面發(fā)生氧化、交聯(lián)、大分子斷鏈等反應(yīng)。其中交聯(lián)反應(yīng)可消除其表面的薄弱層，大分子斷鏈可增加表面形成界面時(shí)的界面擴(kuò)散能力，而氧化通過增加了表面極性基團(tuán)可達(dá)到增加界面作用力的效果。這些都利于表面浸潤性和表面粘結(jié)能力的改善。這可使得纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度大為提高。具體的處理效果除和被處理物的性質(zhì)有關(guān)外還和處理時(shí)間、等離子體氣氛、功率及真空度有關(guān)。
在實(shí)施例1、2中所用樹脂基體配方均為環(huán)氧618∶BF3∶乙胺∶丙酮＝33.30克∶1，000克∶27毫升。固化條件為室溫T↑ 100℃ T↑ 150℃ T↑ 180℃0.5hr 20kg/cm240kg/cm240kg/cm240kg/cm21mr 2hr實(shí)施例1纖維為吉林碳素廠生產(chǎn)的碳纖維?？估瓘?qiáng)度為2.2×104kg/cm2，比重為1.73g/cm3，含碳量＞90%。纖維束支數(shù)為3000，將20束石墨纖維同時(shí)連續(xù)進(jìn)行冷等離子表面處理，制成纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，結(jié)果見表一。
實(shí)施例2纖維為吉林碳素廠生產(chǎn)的石墨纖維?？估瓘?qiáng)度為2.0×104kg/cm2，楊氏模量為2.6×106kg/cm2，比重為1.77/cm3，含碳量＞99%，纖維束支數(shù)為3000。將20束石墨纖維同時(shí)連續(xù)進(jìn)行冷等離子體處理，處理結(jié)果見表二，制成石墨纖維環(huán)氧復(fù)合材料。
實(shí)施例3芳綸纖維通過冷等離子腔時(shí)的真空度為10-2Torr空氣流量40ml/min，功率300W，將芳綸纖維浸入DTE-80 100份，2-2基4-甲基咪4份，丙酮100份的溶液中，烘干，模壓固化(
)復(fù)合材料樣品厚為2.0mm。寬6.7mm，長200mm，用三點(diǎn)彎曲測其層間剪切強(qiáng)度(跨高比為5∶1)為經(jīng)本發(fā)明處理750kg/cm2，未處理620kg/cm2。
實(shí)施例四聚乙烯薄膜通過等離子腔速度為20cm/min，真空度為10-2Torr、功率400W，空氣流量80ml/min，把薄膜裁成20×70mm的試件，用XQ-2多功能快速粘膠劑膠接，測定剪切強(qiáng)度、薄膜斷、膠接接頭完好。
本發(fā)明對所處理的纖維種類，纖維數(shù)及纖維束數(shù)均無特殊要求，且為一連續(xù)處理過程，滿足了工業(yè)化生產(chǎn)的要求，處理效果顯著。此外，本發(fā)明還適用于薄膜及纖維的表面處理。本發(fā)明是纖維生產(chǎn)廠家，復(fù)合材料生產(chǎn)廠家及研究單位的必不可少的技術(shù)工藝，技術(shù)意義、經(jīng)濟(jì)和社會意義都很顯著。纖維經(jīng)本工藝處理后，碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可分別提高80%、250%和20%。且性能的分散性也大大降低。
權(quán)利要求
1.纖維、織物及薄膜表面處理工藝。本發(fā)明的特征為采用冷等離子體連續(xù)處理工藝。
2.如權(quán)利要求
1所述其特征是等離子體發(fā)生器的振動(dòng)頻率為13.56MHZ，為電容耦合式，功率30-3000W，系統(tǒng)真空度在1-10-2Torr，處理時(shí)間15-30min，處理氣氛為He、Ar、N2或O2、CO2、NH3。
3.如權(quán)利要求
1所述其特征為可處理碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維、聚乙烯薄膜。
專利摘要
本發(fā)明是有關(guān)纖維、織物、薄膜表面冷等離子體連續(xù)處理技術(shù)工藝。主要特點(diǎn)是對所處理纖維的束數(shù)和支數(shù)不限，對薄膜、纖維帶也無苛刻要求。處理過程連續(xù)化，完全適用于工業(yè)化生產(chǎn)的要求。是纖維生產(chǎn)廠家和復(fù)合材料生產(chǎn)廠家和研制單位所必需的技術(shù)。碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維經(jīng)本技術(shù)處理后，其復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可分別提高80％、250％和20％。
文檔編號D06M10/00GK87104425SQ87104425
公開日1988年4月6日 申請日期1987年6月23日
發(fā)明者魏月貞, 張志謙, 張秀斌, 陶曉秋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan