低温等离子体对玄武岩纤维粘结性能的影响

李琦娴，杨建忠，焦海娟

(1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安710048；2.陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安710021)

0 引言

玄武岩纤维是一种新兴的无机高性能纤维，其主要成分为SiO2、A12O3[1-2]。 由于其良好的力学性能、耐高温、绝缘等特性[3-4]，大量复合材料多以玄武岩纤维为增强体，广泛应用于环保、军工、航空航天、建筑等设施中[5-8]。

但由于玄武岩纤维表面光滑，粘结性能较差[9]，因此，对其的改性研究成为当下的一个研究热点[10]。 陈杰瑢等人预测了低温等离子体干式加工技术在纺织工业中的应用前景，并且能很大程度的保护环境[11]。 Abdel-Aleam H.Mohamed 等人通过设计一些特殊的电极结构，使大气压下辉光放电成为可能[12]。 Denni Kurniawan 等人通过实验发现，玄武岩纤维/聚乳酸复合材料在超过1.5 分钟的大气压等离子体处理表面后，机械性能会有一定程度的下降；但经过4.5 分钟后复合材料的强力及模量分别较未经处理的纤维原样提高了45%和18%[13]。 张晓英等人用壳聚糖对玄武岩纤维进行了改性，证明了其可以显着改善生物膜的附着性能[14]。 Nour F Attia 等人开发了一种简便而智能的无机纤维改性方法，使有机聚合物对玄武岩纤维和橡胶基体具有良好的相容性和界面粘合性[15]。

本文通过改变低温等离子体设备参数对玄武岩纤维进行表面处理，旨在研究使玄武岩纤维表面获得最佳粗糙度并维持一定的强度，使得表面粘结力增强，从而使其在电工电子应用领域发挥更优异的力学性能。 实验以聚四氟乙烯(PTFE)膜为粘附基材，由于其为粘结性能最差的材料，一旦提高了与其的粘结性能，其他材料如电路板则可以更好的投入应用。

1 实验部分

1.1 原料及实验设备

玄武岩纤维有捻纱(型号BCT6，浙江石金玄武岩纤维有限公司，1dtex/20F)；聚四氟乙烯膜(型号：P4804-02-1EA，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；环氧树脂粘合剂(JD8695 双液型，上海巨密实业有限公司)。

HD-1B 型辉光放电低温等离子体仪(常州新区等离子体公司)；LLY-06EDC 型电子单纤强力仪(莱州市电子仪器有限公司)；JSM-6700F 冷场发射扫描电子显微镜(日本电子株式会社)；AXISULTRA 型X 射线光电子能谱仪(英国Kratos Analytical Ltd.)。

1.2 试样制备

将玄武岩纤维纱剪成长度为5cm 左右的纤维束，将其置于去离子水中使其分散成单根纤维后于干燥箱内烘干水分使纤维处于蓬松的状态，温度不高于200℃，平均分为11 组。 如下图1 为进行粘结性能测试的样品，每个样品中均有一根玄武岩单纤维。

图1 粘结性能测试样品

1.3 性能测试

以下实验均在标准大气条件下进行。 采用低温等离子体设备，反应气体为空气，对纤维进行表面处理。 采用低温等离子体设备在空气条件下对纤维进行表面处理，随机取一组试样置于反应室，启动高压泵将其抽真空至2Pa 左右，试样做正交处理，参数设定为下表1：

表1 正交因素水平表

利用正交表确定实验计划，采用L9(34)分配参数，得出具体实验方案。

1.3.1 粘结性能测试

单纤维拔出试验能简易有效地测试剪切强度[16]。 拉伸剪切强度测定试片为20mm×10mm×0.127mm，采用单面搭接，搭接面长度约10mm±0.25mm，纤维头端露出长度为5mm 左右，避免拉伸过程中纤维自身强力不匀造成先于抽拔瞬间断裂。 拉伸速度设定为10mm/min，拉伸至纤维被完全抽拔出试片为止，记下单纤维拉伸试验机读数界面的破坏负荷，并计算剪切强度W，每组10 个样。

图2 反向剥离实验

分别对无纤维的纯粘合剂的参照试样以及纤维原样和处理后的纤维试样在以PTFE 膜为基体、环氧树脂粘合剂做粘附材料的复合材料进行180°反向剥离后作剥离强力的测试，如上图2 所示。 纤维与粘合剂的有效接触长度均为10mm，实验测试每组20 个样，进而计算剥离强度P[17]，其值为剥离力与试件宽度的比，单位为cN/mm。

1.3.2 力学性能测试

利用LLY-06EDC 型电子单纤强力仪测试各组单纤维强伸性能。 设置试验隔距为10mm，试验速度20mm/min，预加张力2cN，重复测试50 次。

1.3.3 XPS 元素分析

采用AXISULTRA 型X 射线光电子能谱仪对BF 原样、轻微处理条件、最优处理条件以及处理条件最剧烈的四种样品进行表征。 其化学键合状态通过X 射线光电子能谱法进行研究。 在功率为100W(10mA，10kV)、真空度为10-8Torr 条件下，光谱由一束Al Kα(1486.71eV)的单色光激发获得，电荷中和剂用来补偿表面电荷效应，并且结合能由峰值为284.8eV 的C1s 峰来校准。

1.3.4 表面形貌观测

采用JSM-6700F 冷场发射扫描电子显微镜对原样、轻微处理、处理效果最优以及处理条件最强的四组纤维进行表观形貌观测，观测前需对玄武岩纤维表面做喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 粘结性能分析

玄武岩纤维的粘结性能可由纤维的界面剪切强度W 以及剥离强度P 等表征[18]，具体分析如下。 表2 为测试并计算得出的各因素正交水平及结果。

表2 各因素正交水平及结果

实验发现，添加纤维的样品比无纤维的纯粘合剂样品剥离强力有明显提高，且最大增率(2#)为105.21%，剥离强力较未处理的原样(0#)也提高了92.79%。 起初由于粘合剂被剥离，玄武岩纤维同时开始受力剥离强力缓缓增大，增大至最大值后剥离强力趋于稳定值，受粘合剂及纤维表面粘结性能共同影响，当玄武岩纤维伸长率不能配合粘合剂伸长时发生断裂，此时剥离强力出现骤降，亦表明低温等离子体处理会对玄武岩纤维表面的粘结性能有影响。 单纤维剪切强度最高的是2#，较未处理的0#提高了128.22%。 如下表3 为针对剥离强度和剪切强度做的极差分析，分别为各n 因素各j列所对应的实验指标和的平均值，Rj为各j 列的极差。 Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，即可以判断因素的主次。

表3 玄武岩纤维的粘结性能极差分析

由剥离强度和剪切强度的R 值分析，低温等离子体处理条件主次因素按顺序均为A＞C＞B，即放电功率对其影响较大，放电气压的影响次之，放电时间的影响最小。 按剥离强度，最佳试验方案为A1B3C2；按剪切强度，最佳试验方案为A1B2C2。 因此根据粘结性能测试最佳试验方案只能先确定功率为225Pa，气压C 为20Pa，需对纤维的强伸性能作进一步的分析。

2.2 强伸性能分析

选择气压20Pa；低温等离子体设备放电功率分别为100W、150W、200W、250W、300W 对纤维进行处理。 实验发现随着功率的增大，纤维强力逐渐降低，是由于纤维表面被刻蚀出现凹坑、裂痕，导致被拉伸时受力不均使得强力降低，但强力损失不明显，表明低温等离子体处理并不会对纤维强力造成太大损失，只是对表面进行轻微刻蚀。 当功率100W 时，纤维强力下降不是很明显，但表面摩擦系数相对较小，摩擦性能相对较差；而当功率为250W作右时，纤维断裂强力相对较大且摩擦性能较好。综上如下图3 分析，最佳处理功率在250W 左右。

图3 气压为20Pa 时单纤维功率—力学性能关系图

图4 功率为250W 时单纤维功率—力学性能关系图

当放电功率为250W 时，由上图4 分析：当放电时间为3min 时，BF 强力维持较好，较BF 原样仅降低约7.03%；放电时间达5min 及较长发现纤维断裂强力损失较大损失率高达23.78%。 因此得出，低温等离子体对纤维处理时间不易过长。 但是从摩擦性能的角度，5min 时，静摩擦系数最大，纤维表面最粗糙，强伸性能总体最好。

2.3 SEM 扫描电镜分析

如下图5 依次为四个样品的SEM 图像，其放大倍数均为2×104倍。

图5 各试样SEM 图像

上图5 依次为原样、轻微、最优以及处理条件最强烈的四个样品的放大倍数分别为两万倍的SEM 图像。 由其分析得，可以看出未经等离子体处理的纤维表面光滑，基本没有瑕疵；经275W，5min，15Pa 处理后表面仍然光滑但稍有刻蚀，为星星点点的点状凹陷并出现粒状突起；经225W，5min，20Pa 处理后表面不再光滑并出现更密集大面积的点状刻蚀，表明处理后的纤维表面变粗糙，直接增大纤维表面几何接触面积，提高亲水性，且没有出现裂纹或鳞片导致纤维强力不匀从而降低纤维断裂强力，确实为最佳处理状态；经275W，6min，15Pa 处理后出现鳞片状刻蚀并带有包状突起，为强力弱节，纤维整体强力出现不匀，从而会降低纤维强力。 观测结果表明与实验结论相符。

3 结果与讨论

玄武岩纤维经低温等离子体设备处理后表面变粗糙，不同处理条件下的剥离强度、剪切强度均较未处理的原样有所增加，从而提高了与其他材料复合时的粘结强度；强伸性能有一定的减弱，但是影响不大；且由SEM 图像表征验证分析验证，经225W，5min，20Pa 处理后纤维粗糙度最佳，综合强伸性能及粘结性能分析，因此该条件下粘结性能最好。 综上最适宜的低温等离子体处理条件为放电功率为225W、放电时间为5min、气压为20Pa。