等離子清洗技術對芳綸纖維復合材料的研究

林子豪，趙雪瑩，李碩磊，李佳狄

（沈陽航空航天大學電子信息工程學院，遼寧沈陽，110136）

0 引言

芳綸纖維以其高比模量、高比強度、耐疲勞等優異性能在航空航天等多個領域得到了應用。但是從其結構可知，它是一種具有高度取向結晶微區、表面光潔、晶格致密、活性點少、結晶度高、分子間氫鍵結合較弱、橫向抗拉強度低、易纖維化的聚酞胺類纖維材料，由于主鏈中龐大苯環的位阻作用，在復合材料制備過程中，使得酞胺基團很難與樹脂的原子或基團發生反應，纖維表面呈現出較大的化學惰性，纖維與樹脂的界面結合能較低，粘附性及浸潤性很差，兩相界面粘結不理想，影響了復合材料綜合性能的發揮，限制了它在復合材料中的廣泛應用[4]。因此，針對提高芳綸纖維復合材料界面性能的研究是國內外材料界研究的熱點，是芳綸纖維復合材料應用中迫切需要解決的關鍵科技問題之一。對芳綸纖維表面進行改性成為提高復合材料界面性能的重要途徑。

等離子應用于清洗物體表面的污物，由于應用等離子清洗所需的介質一般由氫氣、氧氣、氫氣等組成，且清洗后生成的產物多為CO2、H2O等無污染的氣體[5]，相對于濕法清洗工藝省去了干燥過程及廢水處理裝置，所以應用其進行大面積的表面處理是一種既經濟又環保的方法[3]。實踐證明，等離子清洗工藝可以有效的解決因脫模劑而導致的涂裝質量不達標的問題。無論是從未來生產工藝前瞻性,還是當前生產遇到問題的直接性，都需要引入等離子清洗這種高新清洗技術用以解決上述問題，提高生產工藝及生產質量。

1 實驗原理及設備

采用芳綸纖維復合料作為基材（尺寸為150mm×50mm×1mm），在材料上附著一定量的脫模劑。

1.1 等離子清洗原理。

等離子體是由正離子、負離子和自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發態分子以及自由基組成的部分電離的氣體。在電子清洗中，主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無機氣體在高頻低壓下被激發，產生含有離子、激發態分子和自由基等多種活性粒子[1][2]。這些活性粒子能與表面材料發生反應，從而達到清洗的目的。

在氧氣等離子體中的氧原子自由基、激發態的氧氣分子、電子以及紫外線的共同作用下，脫模劑最終被氧化成水和二氧化碳分子，并從物體表面被清除。等離子體中的活性氧與芳綸纖維材料表面的脫模劑進行氧化反應。圖1是氧等離子體清洗過程原理圖。

圖1 氧等離子清洗污物

1.2 清洗過程及主要參數

放入待清洗試片，設定超聲波電源頻率為40KHz，抽真空壓力達到0.7mbar，通入氧氣；當真空度達到0.4mbar時開始清洗，清洗結束后排出氧氣，關閉電源，取出試片。清洗設備組成示意圖見圖2。

圖2 清洗設備組成示意圖

設備為Diener Prep2，超聲波電源頻率為40KHz，真空度為0.4mbar，清洗時間為10min，射頻電源功率分別設為50W，60W，65W，70W，75W，80W，90W。

2 實驗方法

2.1 達因實驗

達因測量的是材料表面的濕度，即達因測量的是材料表面上水滴的側面角度。如果水珠變平了，則該表面的達因值較高。達因值越高，材料表面能量越多。因此材料表面的潔凈度也就越高，親水性也就越好。芳綸纖維表面的達因值越高越好，這樣材料與漆的粘合力也就越好，越容易達到材料涂裝的要求。在測試中應用達因筆來測量芳綸纖維表面經等離子清洗之后的表面張力。

達因筆有30mN/m-72mN/m總共21種表面能級的測試墨（每種相差2mN/m）。達因試筆（例如38mN/m）可以用作材料處理后表面張力的一種快速測試工具。當測試筆在處理過的表面劃出一條線，如果墨水攤開、擴散或者連續成線，說明該材料表面能不低于38mN/m，如斷斷續續不連成線或者收縮成一團團的墨珠，說明該材料表面能不到38mN/m，處理不足或甚至未處理，不符合要求。能量值越高，表明材料表面張力越大，親水性也就越好。本次實驗用66mN/m、56mN/m、42mN/m和38mN/m四種達因試筆對清洗之后的芳綸纖維材料表面進行測量。

2.2 接觸角實驗

接觸角是指在固體水平表面上滴一滴水珠，液滴在其表面擴散穩定后，在固體表面上的固-液-氣三面交界點處，其氣-液的界面和固-液的界面兩切線于液體側所形成的夾角。接觸角測量原理如圖3。

圖3 接觸角的測量原理

接觸角測試儀，主要用于測量液體對固體的接觸角，可以測量各種液體對各種材料的接觸角。接觸角越小,表明材料表面的清潔度越好，材料與涂裝漆的粘合力也就越好。測試采用一款德國產的接觸角測量儀(型號OCA20)。

3 測試結果

3.1 達因筆試驗

通過實驗，改變清洗時的功率，其他清洗的參數均相同。對應設備的高頻電源最大功率為100W，實驗過程中分別調至 50W，60W，65W，70W，75W，80W，90W經行清洗，然后進行達因測量，達因筆測試的順序由上而下分別為66mN/m、56mN/m、42mN/m和38mN/m ，每個等級的達因筆顏色不同，但是筆芯的直徑相同。從測量的結果中可以看出65W、70W和75W清洗之后的測量結果比較好，66mN/m（藍黑色）的墨水都有攤開，56mN/m達因還有擴散。50W、60W和80W清洗之后，66mN/m、56mN/m達因有不明顯收縮，38mN/m達因有擴散。由此可以看出清洗功率過高或者過低都不能達到要求，因此對芳綸纖維射頻電源工作在70W至75W左右為最佳。

3.2 涂裝后的效果

采用純氧氣，等離子體的激發頻率為40KHz的設備對芳綸纖維材料表面進行清洗，射頻功率為70W，清洗時間為10分鐘，時間間隔分別為8小時、24小時、48小時和72個小時，然后對芳綸纖維材料涂覆H01-101H清漆+H06-Y010底漆，經過GB/T 9286測試其附著力。先對材料表面進行噴漆并烘干，再對不同的時間間隔進行百格實驗。

測試結果，如圖4中可以看出，清洗10分鐘后間隔8小時、24小時、48小時和72小時之后都達到了GB/T 9286規定的一級指標要求，附著力測試結果符合國家標準的要求。

圖4 40KHz實驗測試結果

3.3 不同頻率清洗效果的測量

為了進一步證明40KHz為最佳清洗功率，用13.56MHz的設備進行清洗，功率都采用70W。如圖5與圖6中所取得的點為對應清洗頻率與清洗時間下接觸角實驗中測得的9個數據從小到大所取得的中值。圖5中如“135”表示頻率為13.56MHz，清洗時間5分鐘；“4010”表示頻率為40KHz,清洗時間10分鐘。由圖5和圖6所見，40KHz清洗5-10分鐘，測得的接觸角最為理想。

圖5 不同頻率清洗5分鐘的接觸角

圖6 不同頻率清洗10分鐘的接觸角

4 結論

通過以上實驗表明，清洗芳綸纖維復合材料用頻率為40KHz的設備為最好，射頻功率70W至75W左右，清洗時間5至10分鐘最佳，時間間隔72小時之內都不掉漆，采用純度為99.99%以上的氧氣進行清洗。

采用等離子清洗工藝對芳綸纖維清洗，除去表面脫模劑以提高涂裝質量。結果表明，經等離子清洗后的芳綸纖維表面與漆的粘合力良好，經等離子清洗后的涂裝附著力明顯優于常規方法清洗。經過百格實驗后，附著力測試結果達到了GB/T 9286規定的一級指標要求，符合國家標準的要求。