摘要：本文研究了常压等离子射流处理对不同含水率芳纶纤维表面化学成分的影响。以氦气和氧气分别为载气和反应气体，使用常压等离子射流处理含水率分别为0.5%、4.5和5.5%三种芳纶纤维，利用X射线光电子能谱仪分析等离子体处理前后纤维化学成分的变化。结果表明，经过常压等离子射流处理后，芳纶纤维表面极性基团有了明显的增加，含水率越高，纤维表面极性基团增加越明显。

　　关键词：常压等离子射流;芳纶纤维;XPS

　　Abstract: Influence of atmospheric pressure plasma jet treatment on surface chemical composition of Twaron 1000 fibers with different water content was investigated. Helium and oxygen were used as carrier and reactive gases respectively. Twaron 1000 fibers with the water content of 0.5%, 4.5and 5.5% were treated with atmospheric pressure plasma jet treatment. The change in surface chemical composition was analyzed by XPS. The results indicated that the polar groups on Twarn fiber surface were obviously increased and the higher water content could resulted in the more polar groups.

　　Key words: Atmospheric pressure plasma jet;Twaron 1000;XPS

　　1. 前言

　　芳纶纤维的应用非常广泛，特别是在各种复合材料中。这些复合材料很多用于直升飞机装甲，军用车辆，防弹头盔及人体装甲等方面。复合材料不仅防弹性能好，而且耐腐蚀，重量轻。但到目前为止，芳纶纤维与树脂的粘合性仍有待提高。如果粘合性不能达到标准要求，随着使用时间的推移，芳纶纤维就会和树脂逐渐脱离。汽车轮胎中的帘子线与橡胶的粘合是一个粘合性应用很好的例子。帘子线就像轮胎中的骨架，如果与橡胶粘合的不好，汽车在行驶途中，就会不断的剥离帘子线和橡胶，等达到一定程度，就可能引发灾难性事故[1-2]。

　　经常压等离子体射流处理后的芳纶纤维，表面被高能粒子轰击发生刻蚀，纤维表面粗糙度大大增加，比表面积增大，同时纤维表面还引入了一些极性基团。如： -CONH,-COOH等。这些基团不仅能改善纤维表面亲润性，还能与树脂形成交联，从而提高芳纶纤维与树脂的粘合性[1-7]。

　　由于常压等离子体射流处理技术突破了传统的真空等离子体处理技术，是在常温常压下进行处理，纤维的含水率会随着环境温湿度的变化而变化。如果含水率高，参与常压等离子体射流处理时的氢元素和氧元素就多，这将有可能影响常压等离子体处理材料的效果,本文研究常压等离子射流处理对不同含水率芳纶纤维表面化学成分的影响。，首先使用常压等离子体处理三种含水率不同的芳纶纤维，通过X射线光电子能谱(XPS)测试来分析等离子射流处理前后表面化学成分发生的变化。

　　2. 实验

　　2.1试样准备

　　Twaron1000纤维由荷兰阿苏克公司生产，单纤维直径大约10µm。处理前将纤维用丙酮清洗30分钟，并放在真空干燥箱里干燥12小时，去掉纤维表面的杂质。通过对处理环境温湿度的调节，控制三种有代表性的Twaron 1000纤维含水率。它们分别为0.5%，4.5，5.5%。对每种含水率准备3份试样。

　　2.2 常压等离子射流处理

　　采用美国Surfx Technologies 公司制造的常压等离子射流仪AtomfloTM250。氦气和氧气的流速分别20LPM和0.2LPM，功率和气体温度为40W和100℃，喷头到处理试样间的距离为1mm，试样移动速度为17cm/min，等离子体射流处理时间为10s。

　　调节好常压等离体射流处理环境的温度和湿度。并在处理不同含水率的芳纶纤维时保持对应温湿度的相对稳定。将待处理样品沿传送带移动方向固定于传送带上。先打开通气阀门，再打开电源。等达到试验参数要求后开始试验。将试验后的样品立即分类装入密封的玻璃瓶内。

　　2.3表面化学成分分析

　　XPS测试样如图1所示。其具体方法是：首先将芳纶纤维束剪成长2厘米，宽2毫米的纤维束段，铟箔剪成长3厘米，宽1.5厘米的矩形。然后将3段芳纶纤维束平行摆放在铟箔上，纤维束的间隔约为2毫米。再将铟箔两边超过纤维部分的向内折压，并用手术钳夹紧，使得在真空状态时，纤维不能脱离铟箔对它的控制。

芳纶纤维 铟箔

　　图1 XPS测试样图

　　采用MICROLAB MKII X射线光电子能谱分析仪，将4份试样依次放入光电子能谱分析仪，将照射区抽真空。调节X射线光电子能谱分析仪的采集角为90º，本地真空为2×109 mPa，X光的功率为300W，电压为13kV，电流是20mA。由于在常压等离子体射流处理过程中，接触到的主要是空气，所以主要探测元素为C、N、O三种元素。

　　3. 结果与分析

　　常压等离子体处理前后芳纶纤维表面元素和基团含量见表1和表2。

　　表1 常压等离子射流处理前后纤维表面元素含量的变化 试样 化学元素含量(%) 比例 C O N O/C N/C (O+N) /C 原样 73.89 17.76 8.45 23.9 11.4 35.3 处理样 0.5% 70.34 20.29 9.37 28.8 13.3 42.1 4.5% 70.89 18.90 10.21 26.7 14.4 41.1 5.5% 76.16 15.70 8.26 20.6 10.8 31.4 表2 常压等离子射流处理前后纤维表面基团的变化 试样 基团含量(%) -C-C- -C-N/O- -CONH- -COO- 原样 66.2 28.5 5.3 0 处理样 0.5% 47.18 24.2 12.6 1.5 4.5% 50.4 25.9 11.8 2.2 5.5% 43.0 24.4 13.7 4.1 表2反映的4份样品经XPS分析后的表面化学元素不同基团的比例变化。凡是经常压等离子体处理过的比未处理的芳纶纤维表面-CONH-有所增加，处理过的芳纶纤维表面引入了新的基团-COO-。经过常压等离子体处理过的芳纶纤维表面，含水率越高，基团-CONH-和-COO-也增加越多，这说明水分影响常压等离子处理后的芳纶纤维表面的化学成分，从而影响处理效果。这可能是纤维中较多水分的存在，使得水中的氧元素在常压等离子体处理过程中更容易被引入到纤维表表面，导致极性基团增加。

　　4 结论

　　通过以上实验和分析，可以得出如下结论：

　　1、芳纶纤维经过常压等离子体射流处理后，极性基团有了明显的增加。未经处理的芳纶纤维表面主要是—C—C—，—C—C—N—和—C—O—，而经过常压等离子体射流处理过后表面增加了—CONH—和—COO—极性基团。

　　2、在射流处理过程中纤维的含水率不同，极性基团的增加不同，含水率越高，增加越明显。而极性基团的增加能有效促进芳纶纤维表面粘合性增加。

　　使用常压等离子体处理对今后大工业的连续生产提供了很好的环境条件，真空状态的等离子体不能实现连续生产，生产效率低。而低温下的等离子体使得生产成本有非常高。所以，常压等离子体射流处理技术是一种节能，高效的生产处理技术。

　　参考文献

　　[1] Qui,Y.;zhang,C;Hwang,Y.J.;Bures,B,L.;McCord,M.J Adhesion Sci Technol 2002,16,1.

　　[2] Qui,Y.;zhang,C;Hwang,Y.J.;Bures,B,L.;McCord,M.J Adhesion Sci Technol 2002,16,99.

　　[3] Jensen,C.;zhang,C.;Qiu,Y.Compos Interfaces 2003,10,277

　　[4] Qui,Y.;Deflon S.;Schwartz,P.J Adhesion Sci Technol 1993，7，1041.

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