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.pdf

收稿日期:20221104修回日期:20230217基金项目:福建华祥苑茶业有限公司资助项目(KH210200A);福建省科技厅自然科学基金面上项目(2020J01579);国家科技项目备案(2022L3006);福建省林业科技项目闽林科(2020)29 号 作者简介:文爱诗(1996)，女研究方向:生物质复合材料Email:1241853152 qqcom通信作者杨文斌(1966)，男，教授研究方向:生物质复合材料Email:fafuywb 163com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1，何素萍2，潘浩津1，KEHINDE Olonisakin1，杨越飞3，杨文斌1(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)摘要:为了提高纤维与基体不饱和聚酯界面的结合强度，利用低温等离子体技术对纤维表面进行预处理，探讨了低温等离子体预处理对混杂纤维(亚麻纤维与玄武岩纤维)复合材料性能的影响SEM 分析表明，改性后的玄武岩纤维、亚麻纤维表面与基体界面之间的结合强度增大FTI 分析表明，低温等离子体预处理产生的COH、CO、COOH和COO含氧基团提高了纤维与基体之间界面的结合强度力学测试试验结果表明，PB/F、PB/PF 和 B/PF 的弯曲和冲击性能明显提高，B/PF的弯曲强度比未处理的 B/F 提高 405%，PB/PF、B/PF 的冲击韧性比 B/F 提高 116%混杂纤维复合材料表现出较好的弯曲开放科学(资源服务)标识码(OSID)和冲击性能关键词:界面结合强度;等离子体;不饱和聚酯;玄武岩纤维;亚麻纤维中图分类号:TU5313文献标识码:A文章编号:1671-5470(2023)03-0423-06DOI:1013323/jcnkijfafu(natsci)202303019Effect of low-temperature plasma pretreatment on mechanical propertiesof hybrid fiber-reinforced compositesWEN Aishi1，HE Suping2，PAN Haojin1，KEHINDE Olonisakin1，YANG Yuefei3，YANG Wenbin1(1College of Material Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;2Fujian Huaxiangyuan Tea Co，Ltd，Xiamen，Fujian 361009，China;3Xiamen ProductsQuality Supervision Inspection Institute，Xiamen，Fujian 361000，China)Abstract:To improve the interface bonding strength between fiber and matrix unsaturated polyester，the surface of hybrid fiber-rein-forced composites，mainly made up of basalt fiber and flax fiber，was pretreated by low-temperature oxygen plasma，and the effecton its mechanical properties was further discussed Scanning electron microscopy showed enhanced binding capacity between the sur-face of modified basalt/flax composites and matrix polyesters Fourier transform infrared(FTI)spectroscopy verified that thisstrengthened bonding capacity was mainly due to the synthesis of 4 oxygen-containing groups，COH，CO，COOH andCOO，after the treatment，resulting in enhanced compatibility between the hybrid composites and matrix surface Mechanical testsshowed significantly higher bending property and impact property of plasma-treated basalt/flax composites(PB/F)，plasma-treatedbasalt/plasma-treated flax composites(PB/PF)and basalt/plasma-treated flax composites(B/PF)，resulting in 405%greaterbending strength in B/PF and 116%higher impact toughness in PB/PF or B/PF compared with the untreated ones Overall，themodified composite material showed improved bending property and impact propertyKey words:interface bonding strength;plasma;unsaturated polyester;basalt fiber;flax fiber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13 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45 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福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷 第 3 期Journal of Fujian Agriculture and Forestry University(Natural Science Edition)2023 年 5 月66 的界面结合强度，拉伸强度比未处理提高 325%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811 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1215，而等离子体改性则不需要任何化学试剂1618 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11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 gm2，端头直径 7 m，厚度18 mm;平纹亚麻纤维布由新申集团有限公司提供，面密度 250 gm2，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(035007)Pas，密度 109110 gcm3，酸值 713 mgg12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99999%)购自华鑫达气体有限公司12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-P60L)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(QUAN-TA-200)由美国 FEI 公司提供13方法131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-P60L)处理，功率分别为 200 和 50 W，时间分别为 5 min 和 45 s，工作气体为氧气图 1混杂纤维复合材料的热压曲线Fig1Hot pressing curve of composite material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132性能测试混杂纤维复合材料的拉伸性能按照GB/T 1040200620 测定，加载速率为 10 mmmin1，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/T9341200821 测定，跨距 50 cm，加载速率 10 mmmin1，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 1043200822 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 4004 000 cm1424福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷2结果与分析21低温等离子体预处理对纤维表面的影响211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图 2玄武岩纤维的微观形貌(2 000)Fig2Microstructure of basalt fiber(2 000)212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 cm1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 cm1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 cm1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 cm1为 SiO2对称性的伸缩振动或 SiOAl(Fe)的伸缩振动(图 3A)A:玄武岩纤维;B:亚麻纤维图 3等离子体处理前后纤维布的红外谱图Fig3FTI spectra of fiber cloth before and after plasma treatment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 cm1附近出现的吸收峰为OH 的特征伸缩振动峰;在 2 900 cm1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 cm1出现的吸收峰是 C=O 振动峰;在 1 320 cm1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