等離子體改性對玄武巖/聚丙烯復合材料性能的影響

畢松梅 朱欽欽 趙 堃 儲彭黃

(1.安徽工程大學安徽省紡織面料重點實驗室，蕪湖，241000;2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖，241001)

玄武巖纖維是前蘇聯經過30多年的研究而開發(fā)出來的一種高性能綠色環(huán)保型纖維，但其表面光滑，呈化學惰性，作為復合材料的增強體時，與樹脂基體的浸潤性差，從而影響了復合材料的力學性能［1］。目前，許多學者為了改善玄武巖纖維與基體樹脂的界面黏結力，采用硅烷偶聯劑KH550對纖維進行改性。試驗證明，纖維經偶聯劑改性后復合材料的力學性能明顯提高［2-3］。但是KH550改性過程中要消耗大量的水，浪費資源，同時還污染環(huán)境。

纖維的等離子體改性是一種完全不用水的氣固相干式加工方式，它可以避免廢液污染，而且其對纖維表面的作用僅涉及纖維表面幾到幾百納米。它只會改變纖維的表面性能而不破壞纖維的整體結構，賦予纖維新的表面特性，大大提高了增強纖維對基體樹脂的黏著性［4］。本文主要利用等離子體對玄武巖纖維進行表面改性處理，增大其與樹脂的浸潤性，改善復合材料的界面黏結力，提高復合材料的力學性能。本文采用正交試驗法設計了玄武巖纖維的等離子體改性處理工藝，并對改性后的纖維復合材料進行了拉伸和彎曲性能測試，從而得出等離子體處理的最佳工藝。并采用SEM分析改性后玄武巖纖維的表面形貌，通過DSC分析等離子體改性對復合材料結晶性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

玄武巖纖維無捻長絲束，東莞市俄金玄武巖纖維有限公司提供;PP塑料薄片，由寧波正邦尼龍有限公司提供的塑料粒子，經200℃、5 MPa熱壓成型;鋁箔紙。

1.2 試驗儀器

XLB-D型平板硫化機，湖州宏久橡膠機械廠;DHG-9053型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海三發(fā)科學儀器有限公司;S-4800型場發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會社;FC/104型電子分析天平，上海精科電子有限公司;DSC-60A型自動差熱熱重同時測定裝置，日本島津;CSS-88100型電子萬能試驗機，長春試驗機研究所;HD-1B型冷等離子體改性設備，常州新區(qū)世泰等離子體技術開發(fā)有限公司;自制模具一套。

1.3 復合材料的制備

本試驗用鋁箔作為脫模劑，在不影響玄武巖纖維縱向伸直度的前提下將其均勻分散成單纖維狀態(tài)，與聚丙烯塑料薄片依次鋪放入自制模具中，閉模后在硫化機上加熱加壓，使樹脂基體熔融與玄武巖纖維充分黏合在一起。熱壓溫度、保壓時間和壓力對復合材料的力學性能有著十分重要的影響:溫度過高，聚丙烯容易裂解，聚丙烯的性能變差，從而影響復合材料的力學性能;壓力過大，容易將纖維束壓緊，纖維間的縫隙變小，使得樹脂難以浸潤每根纖維，導致復合材料的力學性能下降;保壓時間越短，基體和增強體受熱時間也相對較短，聚丙烯基體沒有完全熔融，與纖維的黏結性差，復合材料的力學性能差。所以，本文經過多次試驗得出最佳模壓成型工藝參數為:熱壓溫度190℃，保壓時間10 min，壓力10 MPa，纖維質量分數30%。

復合材料的制備工藝流程為:玄武巖纖維→烘干→等離子體處理→纖維與PP鋪層、閉模→加熱加壓、冷卻脫模。

1.4 復合材料的力學性能測試

采用CSS-88100型電子萬能試驗機測量復合材料的拉伸性能和彎曲性能，測試標準為GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》和GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》。

2 試驗結果及分析

2.1 等離子體處理對玄武巖纖維表面形貌的影響

改性處理前后玄武巖纖維表面形貌的掃描電鏡(SEM)圖像如圖1所示。

從圖1可以看出，未經等離子體處理的玄武巖纖維表面光滑;而經等離子體處理后，纖維表面有許多微小顆粒，表面粗糙度增大，從而加大了其與基體樹脂的界面黏結力。

2.2 正交試驗及結果分析

圖1 等離子體改性前后玄武巖纖維表面形貌

等離子體改性的處理效果與氣體的種類、真空度、功率及處理時間有很大的關系［5］。本試驗采用氮氣作為處理氣體，采用正交試驗法來研究真空度、功率及處理時間對玄武巖/聚丙烯復合材料力學性能的影響，從而得出最佳的等離子體處理工藝。本文按L9(34)正交表設計三因素三水平正交試驗，將真空度、功率、處理時間作為試驗因素，并各選三個水平進行試驗，以復合材料的拉伸強度和抗彎強度作為考察指標，如表1所示。

表1 正交試驗因素和水平

纖維經等離子體各工藝處理后，復合材料的拉伸強度和抗彎強度如表2所示。

表2 經等離子體處理后復合材料的力學性能正交試驗表

由表2分析可知，拉伸強度和抗彎強度的優(yōu)化方案分別為A2B3C3和A1B3C3。根據表2，拉伸強度中A、B、C三個因素的極差分別為7、85和56，因此真空度、功率、處理時間三個因素對拉伸強度的影響程度為B＞C＞A;而抗彎強度中A、B、C三個因素的極差分別為1.746、8.225和1.301，因此真空度、功率、處理時間三個因素對抗彎強度的影響程度為B＞A＞C。考慮到拉伸強度中A1和A2的平均值分別為221和222 MPa，兩者之間相差較小，并且A為最次要因素;而對抗彎強度而言，A并不是最次要因素，所以在拉伸強度中，可以選擇A1代替A2作為優(yōu)選的工藝參數，即拉伸強度的優(yōu)化方案為A1B3C3，這與抗彎強度的優(yōu)化方案一致。綜合起來，等離子體處理參數的最優(yōu)方案為A1B3C3，即真空度20 Pa、功率100 W、處理時間5 min。

為了驗證正交試驗所得出的最佳工藝參數的可靠性，本文采用真空度20 Pa、功率100 W、處理時間5 min處理玄武巖纖維，制備并測試復合材料的力學性能。得到的結果為:復合材料的拉伸強度247 MPa、抗彎強度49.319 MPa，從而驗證了正交試驗得到的優(yōu)化方案的準確性。

2.3 改性處理對復合材料結晶性能的影響

聚丙烯是一種最常用的結晶性聚合物，作為復合材料的基體材料，其結晶性能對復合材料的力學性能有很大的影響［6］。增強纖維對基體樹脂結晶性的影響主要是對基體表面的異相成核作用，纖維、界面改性劑均可改變聚丙烯的結晶行為，加速聚丙烯的異相成核，增加其結晶度，從而提高復合材料的力學性能［7］。

圖2所示為玄武巖/聚丙烯復合體系的DSC分析曲線，其中圖2(a)為纖維未經改性時復合體系的DSC曲線，圖2(b)為通過正交試驗得到的最佳力學性能的復合體系的DSC曲線，圖2(c)為纖維經等離子體最佳工藝處理后復合體系的DSC曲線。

由表3可知:在玄武巖/聚丙烯復合體系中，纖維經過等離子體改性后，復合體系的熔點變化不大，但均能使聚丙烯的熔融焓增加。纖維經等離子體處理后，聚丙烯的熔融焓比未處理時的增加了15.03 J/g，結晶度由未改性時的28.5%增加到了35.7%。

圖2 復合體系的DSC曲線

表3 纖維經等離子體改性后復合體系的結晶參數

玄武巖纖維表面光滑，且呈化學惰性，與樹脂的浸潤性差，它很難完全吸附聚丙烯大分子在其表面有序地排列，從而不能在更大程度上提高聚丙烯的結晶性。但當纖維經過等離子體處理后，纖維表面變得粗糙，比表面積增大，就能吸附更多的聚丙烯大分子鏈在材料的界面處有序排列而形成晶核，使聚丙烯異相成核的速度加快，增加了復合體系的結晶度。而且，聚丙烯大分子鏈在纖維表面有序排列，分子間的相互作用也變強，復合材料的力學性能得到進一步提高。

3 結語

(1)通過SEM圖像可看出，玄武巖纖維經等離子體改性后，纖維表面附有許多細小的顆粒，表面變得粗糙，加大了纖維與樹脂的接觸面積，改善了復合材料的界面相容性。

(2)通過正交試驗可知:當真空度、功率、處理時間分別為20 Pa、100 W、5 min時，復合材料的力學性能最佳，此時拉伸強度為247 MPa、抗彎強度為49.319 MPa。

(3)纖維經等離子體改性后，對玄武巖/聚丙烯復合體系的熔點、熔融峰寬影響不大，而對其熔融焓影響較大。纖維經等離子體處理后，聚丙烯的熔融焓比未處理時的增加了15.03 J/g，結晶度由未改性時的28.5%增加到了35.7%。說明等離子體改性能提高復合材料的界面相容性，加速聚丙烯在纖維與樹脂界面處的異相成核，從而提高聚丙烯的結晶度。

［1］ 傅宏俊，馬崇啟，王瑞.玄武巖纖維表面處理及其復合材料界面改性研究［J］.纖維復合材料，2007，11(3):11-13.

［2］ 沈小梅.新型玄武巖—植物纖維增強聚丙烯復合材料的開發(fā)［D］.天津:天津工業(yè)大學，2007.

［3］ 宋秋霞，劉華武，鐘智麗，等.硅烷偶聯劑處理對玄武巖單絲拉伸性能的影響［J］.天津工業(yè)大學學報，2010，29(1):19-22.

［4］ 周正剛.高性能有機纖維表面等離子體改性研究［J］.玻璃鋼/復合材料，2009(1):77-79.

［5］ ZHOU zhou，WANG Jilong.Influence of absorbed moisture on surface hydrophbization of ethanol pretreated and plasma treated ramin fibers［J］.Applied Surface Science，2012，258(10):4411-4416.

［6］ 張楠，王柯，張琴，等.苯甲酸鈉/層狀填料復合成核體系對聚丙烯結晶性能的影響［J］.塑料工業(yè)，2011，39(5):91-95.

［7］ 沈惠玲，趙梓年，倪麗琴.界面改性劑及硫酸鈣晶須對PP復合材料結晶性能的影響［J］.塑料，2001，30(4):59-62.

［8］ 張麗英，武志軍，張浩.成核劑對聚丙烯結晶形態(tài)及力學性能的影響［J］.合成樹脂及塑料，2004，21(4):46-49.