低温等离子体预处理对混杂纤维复合材料性能的影响

文爱诗, 何素萍, 潘浩津, KEHINDE Olonisakin, 杨越飞, 杨文斌

(1.福建农林大学材料工程学院,福建 福州 350002;2.福建华祥苑茶业股份有限公司,福建 厦门 361009 ;3.厦门市产品质量监督检验院,福建 厦门 361000)

低温等离子体改性技术具有低温、快速、环保、高效、操作简单、不改变材料基体性能等优点而被广泛应用[1-3].采用氮、氧等离子体对碳纤维表面进行预处理,碳纤维表面呈现明显的刻蚀痕迹,纤维与树脂的结合强度增大[4-5].研究[6]表明采用氩等离子体对玄武岩纤维表面进行预处理,可提高玄武岩纤维与尼龙66的界面结合强度,拉伸强度比未处理提高32.5%.研究[7]表明,采用氢、氧等离子体对碳纤维表面进行改性,可提高碳纤维与PEI之间的结合力.采用氧等离子体对木材纤维进行处理,能够提高植物纤维表面的粗糙度及其与基体的结合力,从而提高木纤维/HDPE复合材料的拉伸与弯曲强度[8-11].

目前,提高纤维与基体之间界面结合强度大多通过化学改性实现[12-15],而等离子体改性则不需要任何化学试剂[16-18].本研究采用低温氧等离子体分别处理植物纤维与无机纤维,采用铺层设计方法[19]制备混杂纤维复合材料,为不饱和聚酯复合材料的研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

平纹玄武岩纤维布由东莞俄金玄武岩纤维有限公司提供,面密度200 g·m-2,端头直径7 μm,厚度1.8 mm;平纹亚麻纤维布由新申集团有限公司提供,面密度250 g·m-2,厚度3 mm.不饱和聚酯963(UP)购自上纬精细化工有限公司,固含量57%±3%,粘度(0.35±0.07)Pa·s,密度1.09～1.10 g·cm-3,酸值7～13 mg·g-1.2-过氧化丁酮(C4H10O3)、苯乙烯(C8H8,分析纯)、环烷酸钴(C14H22CoO4,化学纯)均购自国药集团化学试剂有限公司;氧气(纯度≥99.999%)购自华鑫达气体有限公司.

1.2 仪器与设备

热压机(10T)由上海人造板机械有限公司提供;平板硫化机(50T)由杭州苏桥佳迈机械设备有限公司提供;低温等离子体(OKSUN-PR60L)由深圳市奥坤鑫科技有限公司提供;微机控制电子万能力学试验机(CMT610)由深圳市新三思计量技术有限公司提供;摆锤冲击试验机(ZBC-25B)由深圳市新三思材料检测有限公司提供;傅立叶红外光谱仪(Vertex70)由布鲁克光谱仪器有限公司提供;扫描电子显微镜(QUANTA-200)由美国FEI公司提供.

1.3 方法

1.3.1 混杂纤维复合材料的制备 将裁剪好的玄武岩纤维布和亚麻纤维布用等离子体(OKSUN-PR60L)处理,功率分别为200和50 W,时间分别为5 min和45 s,工作气体为氧气.

对处理好的纤维布进行施胶(UP)后,采用铺层设计方法[19]制备混杂纤维复合材料.将板材放入平板硫化机中,热压各阶段的压力、温度和时间的变化情况如图1所示.热压结束后,保持压力不变,并在温度降至室温后取出,备用.

图1 混杂纤维复合材料的热压曲线

4种混杂纤维复合材料分别为B/F、PB/F、B/PF和PB/PF,其中B表示玄武岩纤维布,F表示亚麻纤维布,P表示低温等离子体预处理.

1.3.2 性能测试 混杂纤维复合材料的拉伸性能按照GB/T 1040—2006[20]测定,加载速率为10 mm·min-1,每组测试5个试样,取平均值.

混杂纤维复合材料的弯曲性能按照GB/T9341—2008[21]测定,跨距50 cm,加载速率10 mm·min-1,每组测试5个试样,取平均值.

混杂纤维复合材料的无缺口冲击强度按照GB/T 1043—2008[22]测定,每组测试5个试样,取平均值.

采用QUANTA-200扫描电镜对改性前后复合材料弯曲试件的断面进行观察和形态分析.

采用Vertex 70傅立叶红外光谱仪对改性前后的玄武岩纤维和亚麻纤维进行红外分析,扫描光谱波数为400～4 000 cm-1.

2 结果与分析

2.1 低温等离子体预处理对纤维表面的影响

2.1.1 对玄武岩纤维表面微观形貌的影响 玄武岩纤维布表面在低温等离子体预处理前后的微观形貌如图2所示.从图2A、2B可知:未处理的玄武岩纤维布表面整齐光滑;低温等离子体预处理后的玄武岩纤维布表面出现了一些凹凸不平的刻蚀,粗糙度高.

A:未处理的玄武岩纤维;B:处理过的玄武岩纤维.

2.1.2 对纤维表面官能团的影响 利用红外光谱图分析低温等离子体预处理前后纤维布透射率的变化(图3).从图3A可知:B、PB两曲线在3 412 cm-1出现的吸收峰为玄武岩纤维中SiO2产生的-OH特征峰;2 930和2 860 cm-1分别为-CH3和-CH2的伸缩振动峰,PB曲线的峰位面积明显增大,推断PB还存在-COOH;在1 630 cm-1附近出现一个小峰,推断PB存在C=O基团.这是由于氧在等离子状态下形成的氧原子或氧分子与烷基或烷氧基发生进一步反应,生成羟基、羧基或醛基等产物.990 cm-1为SiO2对称性的伸缩振动或Si-O-Al(Fe)的伸缩振动(图3A).

A:玄武岩纤维;B:亚麻纤维.

亚麻纤维布的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素.从图3B可知,在3 300 cm-1附近出现的吸收峰为-OH的特征伸缩振动峰;在2 900 cm-1出现的吸收峰主要是饱和烃中-CH和-CH2的伸缩振动峰;在1 620 cm-1出现的吸收峰是C=O振动峰;在1 320 cm-1出现的吸收峰为木质素中-CH3和-CH2的伸缩振动峰.低温等离子体预处理后亚麻纤维布红外谱图的波数集中在750～1 500 cm-1,在1 190 cm-1附近出现一个新的吸收峰,推断其为C-O-C对称伸缩振动峰.

2.2 低温等离子体预处理对混杂纤维复合材料力学性能的影响

2.2.1 对混杂纤维复合材料拉伸性能的影响 从图4可看出,PB/PF的拉伸破坏力和拉伸强度均最大,而PB/F的拉伸破坏力最小.玄武岩纤维布经过低温等离子体预处理后,其表面在刻蚀作用下产生的裂纹使得纤维整体结构受到破坏,其拉伸性能降低.

图4 混杂纤维复合材料的拉伸性能

2.2.2 对混杂纤维复合材料弯曲性能的影响 由图5可看出,经低温等离子体预处理的混杂纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量明显大于未处理.混杂纤维复合材料的弯曲破坏力表现为B/PF﹥PB/PF﹥PB/F﹥B/F,且混杂复合材料在弯曲断裂时出现了应力屈服现象,说明混杂纤维复合材料的冲击强度增大.

从图5可知:B/PF复合材料的弯曲强度比未处理提高40.5%;PB/PF复合材料的弹性模量大于单一处理或未处理,说明低温等离子体预处理对混杂纤维复合材料具有协同增强作用;PB/PF的弯曲强度次于B/PF,说明低温等离子体预处理后混杂纤维复合材料的弯曲强度和弯曲模量不会同步增大.

图5 混杂纤维复合材料的弯曲性能

此外,PB/F的弯曲强度与PB/PF存在明显差异,外力由基体向纤维传递,纤维与基体之间形成群裂纹,致使复合材料发生断裂.在外力作用下最先被破坏的是混杂纤维复合材料中的亚麻纤维,体系产生的内力导致其力学性能下降,这也是B/F的性能与PB/F接近的主要原因.从图5可知,PB/F、PB/PF和B/PF的弯曲模量均大于B/F.

2.2.3 对混杂纤维复合材料冲击强度的影响 从图6可知,PB/PF和B/PF的冲击韧性均为123 kJ·m-2,比未改性的B/F提高116%.由此可知,低温等离子体预处理可提高混杂纤维复合材料的冲击韧性.玄武岩纤维通过吸收大量能量来增强混杂复合材料的冲击韧性.

图6 混杂纤维复合材料的冲击韧性

2.3 低温等离子体预处理对混杂纤维复合材料断面微观形貌的影响

从图7A、7B可观察到:样品断面上未处理的玄武岩纤维与基体(不饱和聚酯UP)界面之间存在清晰的缝隙;经低温等离子体预处理后,玄武岩纤维与基体之间的界面结合强度大大提高,两者之间的缝隙消失,并且在纤维周围因基体脆断产生较多的碎片.从图7C、7D可观察到:亚麻纤维与基体之间有较大裂缝;经低温等离子预处理后大部分亚麻纤维与基体之间的裂缝消失.

A:B/F中玄武岩纤维的断面形貌;B:PB/PF中玄武岩纤维的断面形貌;C:B/F中亚麻纤维的断面形貌;D:PB/PF中亚麻纤维的断面形貌.

3 小结

本研究采用低温等离子体预处理技术制备混杂纤维复合材料,并测定其力学性能,得到如下结果:

(1)采用低温等离子体预处理可增强混杂纤维复合材料的表面粗糙度;

(2)FTIR分析表明,纤维表面产生的4种含氧基团(羟基、醛基、羧基和酯基)有利于提高纤维与基体之间的界面结合力;

(3)PB/F和B/PF混杂纤维复合材料的拉伸性能下降;

(4)PB/F、PB/PF和B/PF的弯曲性能和冲击性能明显提高(其中B/PF的弯曲强度比B/F提高40.5%),PB/PF和B/PF的冲击韧性比未处理的B/F提高了116%,表明低温等离子体预处理能有效提高玄武岩(或亚麻)纤维与基体的界面结合强度,从而提高混杂纤维复合材料的强度和韧性;

(5)通过SEM观察两种纤维与基体的界面,发现低温等离子体预处理后玄武岩(或亚麻)纤维与基体之间界面的结合强度提高.