一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法及其應(yīng)用，屬于纖維表面改性及其應(yīng)用領(lǐng)域。該方法是將高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維暴露在等離子體中進(jìn)行改性，其中等離子體是由處理氣體在射頻電感耦合裝置的作用下生成，其中所述處理氣體包括氧氣、氮?dú)?、氬氣以及氦氣中的至少一種。本發(fā)明在保證纖維的機(jī)械強(qiáng)度下降小于5％的情況下，有效的改善了纖維的浸潤性能，纖維的表面自由能提高了20％～70％。改性后的纖維可應(yīng)用于與環(huán)氧樹脂制備復(fù)合材料，該復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度相對于未經(jīng)過處理的纖維制備的復(fù)合材料提高了5～40％。
【專利說明】一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高性能纖維表面改性及其應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種等離子體改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面的方法及其在制備復(fù)合材料中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的飛速發(fā)展，航空航天、軍工國防等尖端領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芴岢鲈絹碓礁叩囊?，傳統(tǒng)的單一材料已經(jīng)不能很好的滿足其使用需要。在此背景下，高性能纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料以其高強(qiáng)度、低密度、低介電、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫等眾多優(yōu)勢而迅猛發(fā)展。
[0003]目前常用作復(fù)合材料增強(qiáng)體的高性能纖維主要有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、PBO纖維等。而高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維作為高性能纖維家族的一員，除具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)外，還具有其他纖維所無法比擬的抗輻照性能和極為突出的耐低溫性能。這些優(yōu)勢決定了高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維能夠在極端的環(huán)境下工作，擁有極為廣闊的應(yīng)用前景。但未經(jīng)過表面處理的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面十分光滑且表面自由能很低，使得其與樹脂的浸潤性能很差，這無疑限制了它的應(yīng)用范圍。
[0004]纖維表面改性的方法很多，包括酸處理、堿處理、表面涂覆處理、輻射處理、等離子體處理等。其中等離子體處理作為一種干式工藝，具有操作簡單、節(jié)能環(huán)保、效果顯著、所需時(shí)間短、對纖維損傷程度低、不需要后處理等優(yōu)勢。由于目前還未有商品化的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維，所以國內(nèi)外鮮有其表面改性的相關(guān)報(bào)導(dǎo)?；诖?，本發(fā)明提供了一種等離子體改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面的方法及其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于以上【背景技術(shù)】內(nèi)容，本發(fā)明的目的在于公開一種等離子體改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面的方法，使纖維表面粗糙度和浸潤性能得到改善，從而提高其與樹脂制備復(fù)合材料的界面性能。
[0006]本發(fā)明公開的一種等離子體改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面的方法，具體步驟如下:
[0007](I)將高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維置于射頻電感耦合等離子清洗機(jī)體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下。
[0008](2)向步驟(I)中的腔體通入處理氣體并調(diào)節(jié)放電氣壓、設(shè)置放電功率和處理時(shí)間，使腔體中的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維直接暴露在等離子體中，從而對其表面進(jìn)行改性處理。
[0009](3)將步驟(2)中處理好的纖維取出并用保鮮膜封好，備用。
[0010]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的處理氣體包括氧氣、氮?dú)?、氬氣、氦氣中的至少一種
[0011]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的處理氣體以I?500SCCM的流量通入，優(yōu)選5?300SCCM。[0012]本發(fā)明中，步驟⑵中所述的等離子體放電氣壓為5?500Pa，優(yōu)選氣壓為10?200Pa。
[0013]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的等離子體的放電功率為10?1000W，優(yōu)選功率為50 ?500W。
[0014]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維在等離子體中的處理時(shí)間為5?1800s，優(yōu)選時(shí)間為30?1200s。
[0015]本發(fā)明在保證纖維的機(jī)械強(qiáng)度下降小于5%的情況下，有效的改善了纖維的浸潤性能，纖維的表面自由能提高了 20%?70%。改性后的纖維可應(yīng)用于與環(huán)氧樹脂制備復(fù)合材料，該復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度相對于未經(jīng)過處理的纖維制備的復(fù)材提高了 5?40%。
[0016]本發(fā)明具有以下的目的及效果:
[0017]1.本發(fā)明提供了一種有效的改善聚酰亞胺纖維表面性能的方法一等離子體法。
[0018]2.本發(fā)明可通過調(diào)整處理氣體、氣體流量、放電氣壓、放電功率以及處理時(shí)間來優(yōu)化纖維表面的改性效果。
[0019]3.本發(fā)明提供的等離子體改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維表面的方法操作簡單、效果明顯、效率高且無需后處理。
[0020]4.本發(fā)明所提供的方法處理過的聚酰亞胺纖維可與環(huán)氧樹脂制備復(fù)合材料，其界面性能相對于未處理者得到顯著改善。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021 ] 圖1是未處理聚酰亞胺纖維表面SEM照片。
[0022]圖2是實(shí)施例1中處理后的纖維表面SEM照片。
[0023]圖3是未處理纖維制備復(fù)合材料的劈裂面SEM照片。
[0024]圖4是實(shí)施例1中處理后纖維制備復(fù)合材料的劈裂面SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，同行業(yè)的工作者通過簡單的替換處理氣體或樹脂基體所獲得的實(shí)施例皆落于本專利的保護(hù)范圍。實(shí)施例中所用纖維的制備方法參見CN102345177A。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氧氣，保持腔體中放電壓力為30Pa，在200W的放電功率下處理lOmin。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為50%。
[0028]實(shí)施例2:
[0029]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氦氣，保持腔體中放電壓力為40Pa，在200W的放電功率下處理lOmin。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為50%。
[0030]實(shí)施例3:[0031]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以200SCCM的流量通入氬氣，保持腔體中放電壓力為50Pa，在150W的放電功率下處理7min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為51 %。
[0032]實(shí)施例4:
[0033]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氧氣和氬氣的混合氣體(02/Ar為3:2)，保持腔體中放電壓力為40Pa，在150W的放電功率下處理3min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為52%。
[0034]實(shí)施例5:
[0035]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以50SCCM的流量通入氮?dú)猓３智惑w中放電壓力為60Pa，在100W的放電功率下處理15min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為50%。
[0036]實(shí)施例6:
[0037]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以5SCCM的流量通入氧氣，保持腔體中放電壓力為10Pa，在200W的放電功率下處理5min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為49%。
[0038]實(shí)施例7:
[0039]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以100SCCM的流量通入氦氣，保持腔體中放電壓力為30Pa，在500W的放電功率下處理30s。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為49%。
[0040]實(shí)施例8:
[0041]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氮?dú)?，保持腔體中放電壓力為30Pa，在50W的放電功率下處理20min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為51 %。
[0042]比較例1:
[0043]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以30SCCM的流量通入氧氣，保持腔體中放電壓力為30Pa，在700W的放電功率下處理lOmin。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為50%。
[0044]比較例2:
[0045]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以150SCCM的流量通入氦氣，保持腔體中放電壓力為40Pa，在200W的放電功率下處理30min。將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為49%。
[0046]比較例3:
[0047]將聚酰亞胺纖維置于等離子體腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下，以
300SCCM的流量通入氬氣，保持腔體中放電壓力為300Pa，在150W的放電功率下處理7min。
將處理后的纖維進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測試并計(jì)算器表面能值，同時(shí)使用纖維做增強(qiáng)體與環(huán)氧
樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料并測試其層間剪切強(qiáng)度，纖維所占體積分?jǐn)?shù)為52%。
[0048]表1聚酰亞胺纖維處理前后性能及其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度變化
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法，其特征在于，用等離子體對高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維進(jìn)行表面改性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)將高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維置于射頻電感耦合等離子體清洗機(jī)腔體中，用真空泵將腔體氣壓抽至5Pa以下； (2)向步驟(I)中的腔體通入處理氣體并調(diào)節(jié)放電氣壓、設(shè)置放電功率和處理時(shí)間，使腔體中的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維直接暴露在等離子體中，從而對其表面進(jìn)行改性處理； (3)將步驟(2)中處理好的纖維取出并用保鮮膜封好，備用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所所述一種表面改性高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的處理氣體包括氧氣、氮?dú)狻?、氦中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(2)中所述處理氣體以I?500SCCM的流量通入。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(2)中所述等離子體放電氣壓為5?500Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(2)中所述等離子體的放電功率為10?IOOOff0
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于步驟(2)中所述高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維在等離子體中的處理時(shí)間為5?2000s。
8.由權(quán)利要求1中所述方法改性得到的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合制備復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，其特征在于，高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維所占體積分?jǐn)?shù)為40?60%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，其特征在于，高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維所占體積分?jǐn)?shù)為48?52%。
【文檔編號(hào)】C08L63/00GK103966833SQ201410172072
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】武德珍, 孫旭陽, 牛鴻慶, 劉威威, 田國峰, 齊勝利 申請人:北京化工大學(xué)