等离子改性条件对PEGDA/HEMA凝胶亲水性及表面能的影响

采用氩等离子对聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)/甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(HEMA)共聚物凝胶进行表面改性,对膜材料进行了光电子能谱(XPS)分析,并讨论了等离子处理时间及功率对凝胶亲水性及表面能的影响。研究结果表明,经等离子处理后凝胶表面引入了含氧极性基团,氧的含量从未处理的23%增加到26%,使材料亲水性得到改善;由于引入极性基团,材料的表面能随等离子处理时间和功率的增加而增加,从未处理前的45.9 mJ/m2增加到72.5 mJ/m2,极性力分量γPs随等离子体处理功率和时间的变化规律与表面能γs基本一致。     

低温等离子体碳纤维表面处理技术研究

采用低温等离子体法对碳纤维表面进行处理,并通过滴水试验、SEM、XPS测试处理效果。与阳极氧化法相比,低温等离子体法能更有效地改变碳纤维的表面性质。滴水试验表明经等离子体处理的碳纤维表面呈极性,与水的润湿性好;SEM测试结果表明,低温等离子体法处理的碳纤维表面沟槽比阳极氧化法的更多,前者表现出更强的表面修饰性;XPS测试结果表明,经等离子体和阳极氧化法处理后的碳纤维表面均含有羧基、羟基、羰基,低温等离子体处理后的碳纤维表面的极性官能团总含量为17%。     

硝酸-超声协同改性碳纤维及其增强复合材料研究

通过硝酸氧化和超声处理相结合的方法,对碳纤维表面进行了成功改性。研究了改性处理温度、超声时间等对碳纤维的微结构、相结构、化学结构以及表面元素含量等的影响。结果表明:随着硝酸-超声处理温度的升高和处理时间的延长,碳纤维的结晶度提高、表面变得更加粗糙,而碳纤维表面的含氧官能团数量、活性基团含量逐渐增加,从而使得碳纤维与环氧树脂间的浸润性、反应性、机械锚合作用和结合力增大,最终使改性碳纤维增强的复合材料的力学性能得以显著提高,其中拉伸强度和弯曲强度分别提高了约12%和46.2%。     

剑麻纤维表面特性及其浸润行为

采用Weibull统计分布方法量化了剑麻纤维的横截面积, 并考虑液体在剑麻纤维中空结构中的芯吸质量, 发展了基于Wilhelmy吊片法原理测试剑麻纤维与液体动态接触角的表征方法。在此基础上, 分析了不同表面处理方法对剑麻纤维微观结构、 表面化学组成、 表面能及其色散、 极性特性的影响规律, 并测试了剑麻纤维与E51环氧树脂的浸润性。结果表明: NaOH、 阻燃剂处理使剑麻纤维表面极性官能团增加, 纤维的表面能极性分量增加显著; 硅烷处理增加了剑麻纤维表面的极性基团含量, 但使其极性分量减小, 表面能略有下降; 并且剑麻纤维与E51树脂的浸润性与其极性比匹配特性密切相关。     

碳纤维表面的X—射线光电子能谱(XPS)的研究—Ⅱ

本文用XPS研究了碳纤维及经不同表面处理的碳纤维表面组成。C_1s光电子谱表明,碳纤维表面经处理后,使表面碳氢碳逐步转化为 和-CO₂H等基团的碳,这种活性基团的形成是表面氧化作用的结果,它的含量随处理时间的增加而上升达一平衡值。     

碳纤维电化学氧化表面处理效果的动态力学热分析研究

利用动态力学热分析(DMTA)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对聚丙烯腈基(PAN)碳纤维电化学氧化表面处理效果进行了研究。研究结果表明,DMTA谱图中经电化学氧化处理的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)其损耗角正切(tanδ)较未处理的降低30％,玻璃化温度(T_g)与tanδ峰值的变化可以有效地表征PAN基碳纤维表面处理的效果。这一结论与SEM观察CFRP断口形貌的结果相符。经定量计算出的界面粘结参数A和α与CFRP的层间剪切强度(ILSS)所反映的碳纤维与树脂间界面粘结效果是一致的。同时,XPS表面化学分析表明,经电化学氧化处理后的碳纤维表面羟基含量提高55％及活性碳原子数增加18％,采用适当的处理条件可使CFRP的ILSS提高20％以上。      

低温氮、氧等离子体处理碳纤维/树脂复合材料

采用霍尔源辉光放电产生氧等离子体和氮等离子体,对成型碳纤维/树脂复合材料进行表面处理,通过浸润性分析、红外光谱分析和扫描电镜分析,探究氮、氧等离子体对碳纤维/树脂复合材料的影响,同时考察处理前后碳纤维/树脂复合材料表面基团和形貌的变化。结果显示氮、氧等离子体处理后碳纤维/树脂复合材料与去离子水的接触角随气压和电流的增大均先迅速降低再缓慢增加,在电流为1.0 A,气压为1.0 Pa时,处理结果较佳,氧等离子体处理后碳纤维/树脂复合材料在去离子水中活化时效性稍强于氮等离子体;氮、氧等离子体处理后碳纤维/树脂复合材料表面刻蚀现象明显,粗糙度提高,纤维树脂间粘连程度增加,红外分析表明甲基、酯基被打断,分别引入CH2-O-CH2和C=N、C≡N等极性基团,上述结果表明:氮、氧等离子体处理是提高成型碳纤维/树脂复合材料表面性能的有效方法。     

环境湿度对等离子体处理聚乙烯木塑复合材料表面时效性的影响

利用接触角、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和胶接强度等分析方法研究了湿度对等离子体处理聚乙烯木塑复合材料表面时效性的影响。结果表明,不同的湿度对表面处理的时效性影响不同。随时间的延长,23%湿度下放置的试样,表面C元素含量逐渐增加,O元素含量逐渐降低,含氧极性基团逐渐减少,材料表面粗糙度变化不大,粘接强度下降;而84%湿度下放置的试样,表面C元素含量先增加而后降低,O元素含量先降低而后增加,含氧极性基团先减少而后增多,材料表面出现微裂纹,粘接强度先降低而后增大。湿度较大的放置环境对等离子体处理材料表面的时效性影响更大。     

羟丙基甲基纤维素对碳纤维分散性的影响

通过碳纤维在新拌水泥浆体中的变动系数、硬化水泥浆体电阻率和SEM分析测试等综合评价了羟丙基甲基纤维素(HPMC)对碳纤维在水泥浆体中的分散性的影响。试验发现:HPMC能显著改善纤维的分散,掺量在0.2%～0.4%时,分散效果较好。分析认为机理在于其分子结构中的极性羟基基团与碳纤维表面的极性羟基基团或羰基基团以及水分子之间形成氢键,增强了短碳纤维表面的亲水性和浸润性,提高了短碳纤维的分散性;但掺量较大反而由于体系粘聚性增加而影响分散性,且由于引入较多气泡而使电阻率提高。     

低温等离子体对低密度聚乙烯材料的表面改性

用低温等离子体对 LDPE 进行表面改性,工作气体和处理时间对改性效果有重要影响。经等离子体处理后,LDPE 表面的接触角减小,表面能增加,尤其是其中的极性分量显著增加,粘接强度提高22—29倍。XPS 分析表明表面引进了极性基团。     

RTM成型过程中树脂/纤维界面性能表征及分析

通过测试树脂的表面张力、碳纤维的表面能以及树脂与纤维动态接触角来分析RTM成型过程中树脂/纤维界面性能,并对比分析了树脂对涂覆溶液定型剂前后的纤维浸润性能的影响。结果显示,随着温度升高,树脂表面张力降低,纤维的表面能升高,使得树脂/纤维的动态接触角变小,利于树脂浸润单丝纤维;树脂对涂覆溶液定型剂后的碳纤维织物浸润较为困难。     

动态毛吸法测定纤维及粉末料的接触角研究

本文用动态毛吸法研究了表面处理对纤维浸润性的影响,结果表明碳纤维及聚酯纤维表面经冷等离子体氧处理,浸润性有很大的改善,碳纤维约提高四倍,这是因为等离子氧表面处理过程,将含氧基团羧基,羟基及羰基等引入到表面所致。同时从测得的浸润过程表面自由能改变值△γ,计算出水对纤维的接触角,它与采用接触角测定仪倾斜法所测得的结果基本上一致。从所测得的接触角值也可以看出表面经处理之后,浸润性得以改善。如碳纤维由77°降为63°,聚酯纤维由77°降为52°。此外我们还研究了煤粉和玻璃粉体系对水的浸润性,发现水对玻璃粉的浸润性优于煤粉,前者的浸润接触角为47°、后者则为90°,此接触角值也与采用接触角测定仪由静滴法测得水对片材的接触角相一致。由此可见动态毛吸法可以用于研究纤维及粉末体系的浸润性,而且操作简单易行,测试周期短。      

Capillary effects on flax fibers – Modification and characterization of the wetting dynamics

Introducing bio-based composites has now become an opportunity of development for industry. Accordingly, Liquid Composite Moulding (LCM) processes are increasingly used for manufacturing those composites, mainly in the transportation industry, since they are considered as effective and low cost routes to manufacture bio-based composites fitting high quality requirements, even for parts with complex shape. However observations of a large amount of voids in bio-based composites call for an improved understanding of the local wetting phenomena that occur during impregnation of the natural reinforcements. The purpose of the present work is to study the influence of flax fiber surface chemistry on the local wetting dynamics. Flax reinforcements were submitted to a thermal treatment to modify the chemical composition of fiber surface. In order to analyze the fiber’s wetting behavior, some methods for measuring apparent static contact angles and surface energy were firstly validated on solids of defined geometry, and subsequently applied to untreated and treated flax fibers. The Owens–Wendt’s approach was used to determine both components of apparent surface energy, indicating polar and dispersive interactions in materials. Subsequently dynamic tests were carried out on both types of chopped flax fibers in order to evaluate apparent advancing dynamic contact angles. Considerations about morphological effects have also been included. Finally bio-based composite plates reinforced with untreated and treated flax quasi-UD were simultaneously fabricated by LCM process, and observation of the porosities highlighted some benefits of using treated flax fibers.     

芳纶纤维/浆粕表面能及其复合纸性能

测定了几种间位芳纶短纤维、芳纶纯浆粕及其复合纸的表面接触角,结合倒数平均调和方程计算了芳纶纤维及复合纸的表面能。通过芳纶纸中纤维与浆粕界面张力及粘附功的计算,分析芳纶纤维及浆粕的表面能与其复合纸性能的关系。结果表明:采用水和乙二醇作为接触角测试液体时,芳纶纤维及浆粕的表面能为35～45 mJ·m-2。其中,芳纶短纤维表面能稍高于芳纶浆粕,芳纶短纤维及浆粕的极性分量大于色散分量,表面能越高越利于增强表面可润湿性,粘附功越大。热压导致芳纶复合纸表面能下降,相对于Nomex纸,自制芳纶复合纸的表面能降低得更明显。芳纶短纤维与浆粕的色散分量和极性分量越匹配,表面能之差及界面张力越小,则芳纶复合纸中纤维之间的粘接力越强,抗张指数也越高。      

电化学氧化处理对PAN基炭纤维表面浸润性的影响

以硫酸铵为电解质,对炭纤维进行连续电化学氧化处理,利用反气相色谱(IGC)研究电化学氧化处理前后的表面能变化,并联系SEM、AFM、XRD、Raman、XPS等测试结果综合分析电化学氧化处理对炭纤维表面性能的影响。研究表明,经电化学氧化处理后,纤维沿轴方向表面沟槽加深加宽,薄弱层被剥除,晶格择优取向遭到破坏;纤维表面活性官能团增多,氧和氮含量分别增加了180%和65%,提高了纤维与树脂的粘结性;纤维表面能提高了3.1倍,与树脂的浸润性得到改善;电化学氧化处理后其复合材料的ILSS达109MPa,已可充分满足实际应用需求。     

Influence of fibre treatment and glass fibre hybridisation on thermal degradation and surface energy characteristics of hemp/unsaturated polyester composites

The effect of fibre treatment on the thermal degradation and surface energy characteristics of hemp fibre reinforced unsaturated polyester (HFRUP) composites was investigated by means of a thermogravimetric analyser (TGA) in a nitrogen atmosphere and contact angle measurement. In order to modify the fibre/matrix interface, NaOH treatment and glass fibre hybridisation were employed. HFRUP composites were compared to the unreinforced UP, NaOH treated hemp and glass fibre hybridised hemp/UP composites. TGA test results show that the weight loss for all samples occurred between 200 and 415 °C. The unreinforced UP had a maximum weight loss of 1.011%/°C. For the HFRUP composites, the maximum rate of weight loss was 0.81%/°C. For the NaOH treated and glass fibre hybridised hemp/UP composites, the maximum rate of weight loss was 0.78%/°C and 0.79%/°C, respectively. The effect of fibre treatment on the surface energy of studied samples and their dispersive and polar components were also investigated. Surface energy characteristics obtained from contact angle measurement revealed that for unreinforced UP, the contact angle measured with glycerol is 49.37°. For hemp/UP composites, the contact angle is 76.05°. For NaOH treated hemp/UP composites sample, the contact angle was recorded 78.89°, higher than untreated one. For hemp/CSM/UP specimen, the contact angle was recorded 69.80°. Both TGA and contact angle results indicated that surface treatment and glass fibre hybridisation led to better thermal stability and the wetting behaviour of hemp/UP composites.     

碳纤维阳极氧化法处理对复合材料界面性能的影响

利用阳极氧化法对碳纤维进行表面改性处理,研究了碳纤维处理前后表面化学组成,纤维复丝拉伸强度和复合材料的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）。结果表明,经阳极氧化处理碳纤维表面的含氧、含氮极性官能团数目增加,纤维复丝拉伸强度有所下降,复合材料的ＩＬＳＳ值提高。同时通过实验结果分析,阐明阳极氧化处理使复合材料界面性能改善的机理。     

Atmospheric air plasma treated PBO fibers: Wettability,adhesion and aging behaviors

Poly (p–phenylene-2, 6-benzobisoxazole) (or PBO) fibers were modified by air dielectric barrier discharge plasma (air-DBD) with different treatment time. The wettability of the PBO fibers were enhanced evidently, which was proved by dynamic contact angle analysis (DCAA), the contact angle in water of the fibers treated by air-DBD plasma decreased from 77.52° to 34.05°, while the surface free energy increased from 44.73 mJ/m² to 64.04 mJ/m². The surface morphology changes and variations of chemical components of PBO fibers were detected by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results demonstrated that the fiber surface morphology became rougher and some newly polar groups were introduced onto the fiber surfaces. They contributed to the enhancement of the wettability. Furthermore, the interfacial adhesion between PBO fibers and bismaleimide (BMI) resin was improved obviously, which revealed by the increased ILSS of the PBO/BMI composites. Nevertheless, the ILSS of PBO/BMI composites decreased to 47.0 MPa after PBO fibers were stored in air for 7 days and there were little changes for 7–30 days.     

电子束固化树脂基复合材料中碳纤维表面改性研究

利用阳极氧化方法和偶联剂对碳纤维表面的物理和化学性质进行改性，采用原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）分析了碳纤维表面改性前后的形貌和化学成分的变化，利用Keaelble法计算了碳纤维的表面能。研究结果表明，阳极氧化改性的碳纤维表面粗糙度增加，表面活性；表面活性官能闭增多，表面能中极性成分增加明显，碳纤维表面引入的活性氮和化学吸附的碱性物质使电子束固化复合材料界面处的引发剂中毒，复合材料界面性能减弱，与电子束固化工艺相匹配的偶联剂在碳纤维与树脂基体之间形成化学桥，使电子束固化复合材料界面性能得到明显提高。