等離子體處理改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂粘接性能

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-11-16

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，由于玻璃纖維的成本低廉和較高的力學(xué)強度等優(yōu)勢，逐步替代了其他金屬材料和纖維材料，進(jìn)而應(yīng)用越來越廣泛，常常應(yīng)用于電子、電氣、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域。

玻璃纖維的主要成分是二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣氧化鎂、氧化鈉等，單絲的直徑為幾個微米到二十幾個微米，是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，它具有良好的拉伸和沖擊強度、絕緣性能、耐熱性等優(yōu)點，同時價格也較為低廉，通常作為復(fù)合材料中的增強材料應(yīng)用于電絕緣領(lǐng)域。

以環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強材料的復(fù)合材料在電力行業(yè)中常常用作變壓器套管絕緣材料以及水輪發(fā)電機定子絕緣材料等，起到了良好的絕緣作用。但由于玻璃纖維表面自由能較低、表面光滑以及含氧極性基團(tuán)較少，使其與樹脂之間的化學(xué)鍵合作用和機械嵌合作用大大降低，導(dǎo)致復(fù)合材料的界面粘結(jié)性較差，降低設(shè)備的電氣及力學(xué)性能，同時縮短設(shè)備使用壽命，容易引發(fā)安全隱患。因此，在使用前需對其表面進(jìn)行等離子體改性處理，使玻璃纖維更易于和環(huán)氧樹脂等有機膠黏劑結(jié)合，從而避免老化問題。

等離子體表面處理

等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)，是由帶電的正離子、負(fù)離子構(gòu)成的，因正負(fù)電荷的電量相等，故稱為等離子體。

低溫等離子體改性玻璃纖維表面時可以引入O-C=O等新的含氧極性基團(tuán)，可以很好地提高玻璃纖維表面的活性程度和表面自由能，進(jìn)而提高纖維表面的潤濕性。

未改性的玻璃纖維表面較為光滑，沒有明顯的凹陷或凸起結(jié)構(gòu)，經(jīng)等離子體處理后，玻璃纖維表面出現(xiàn)不同程度的凹陷和凸起，隨處理時間的延長，纖維表面的刻蝕程度越來越大，并伴隨剝離現(xiàn)象的出現(xiàn)。這是因為等離子體中的高能粒子撞擊纖維表面，將自身能量傳遞給表層分子，使表層分子鍵斷裂，產(chǎn)生大量自由基，相鄰活潑性高的自由基之間發(fā)生鍵合作用，在纖維表面構(gòu)成交聯(lián)層，交聯(lián)反應(yīng)隨時間的增長而加深，進(jìn)而粗糙程度逐漸加劇，導(dǎo)致纖維表面產(chǎn)生明顯的刻蝕痕跡，改變了表面原本平滑的微觀物理結(jié)構(gòu)。

玻璃纖維等離子處理前后表面形貌對比

通過對玻璃纖維的等離子體改性進(jìn)行研究，分析認(rèn)為等離子體改性主要是在玻璃纖維表面引入極性官能團(tuán)，提高了玻璃纖維與樹脂基體之間的浸潤程度；同時在纖維表面發(fā)生刻蝕作用，增大比表面積，增強二者界面間的粘結(jié)力。

等離子處理玻璃纖維與環(huán)氧樹脂反應(yīng)機理

兩者反應(yīng)機理如下圖所示。由下圖可知,玻璃纖維置于等離子體處理過程中，當(dāng)輝光放電時，除了產(chǎn)生活性粒子N+外,還會產(chǎn)生N離子，使玻璃纖維界面形成MN(M為玻璃纖維晶體)的結(jié)構(gòu)，再與環(huán)氧樹脂結(jié)合，在其表面形成氫鍵,但是氫鍵的鍵能比玻纖鍵鍵能小，由此在界面處形成相對較弱的化學(xué)鍵,使得兩大基體間粘結(jié)性更穩(wěn)定。

玻璃纖維與環(huán)氧樹脂反應(yīng)機理

等離子體處理不產(chǎn)生二次污染，在處理工藝方面簡單而又節(jié)省時間，大大提高了處理效率。重要的是，它只作用于玻璃纖維表面的幾納米的薄層，而不影響纖維本體的物理化學(xué)性質(zhì)。低溫等離子體在玻璃纖維表面產(chǎn)生大量的羧基等含氧極性基團(tuán)可以與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生化學(xué)鍵合作用，有效地增強二者的界面結(jié)合能力，對于復(fù)合材料電氣和力學(xué)性能的提高具有一定作用。

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