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)濟的迅速發(fā)展，由于玻璃纖維的成本低廉和較高的力學強度等優(yōu)勢，逐步替代了其他金屬材料和纖維材料，進而應用越來越廣泛，常常應用于電子、電氣、化工、冶金等工業(yè)領域。

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，通常作為復合材料中的增強材料應用于電絕緣領域。

以環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強材料的復合材料在電力行業(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較少，使其與樹脂之間的化學鍵合作用和機械嵌合作用大大降低，導致復合材料的界面粘結性較差，降低設備的電氣及力學性能，同時縮短設備使用壽命，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合，從而避免老化問題。

等離子體表面處理

等離子體是物質存在的一種基本形態(tài)，是由帶電的正離子、負離子構成的，因正負電荷的電量相等，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，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構，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，在纖維表面構成交聯(lián)層，交聯(lián)反應隨時間的增長而加深，進而粗糙程度逐漸加劇，導致纖維表面產生明顯的刻蝕痕跡，改變了表面原本平滑的微觀物理結構。

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行研究，分析認為等離子體改性主要是在玻璃纖維表面引入極性官能團，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力。

等離子處理玻璃纖維與環(huán)氧樹脂反應機理

兩者反應機理如下圖所示。由下圖可知,玻璃纖維置于等離子體處理過程中，當輝光放電時，除了產生活性粒子N+外,還會產生N離子，使玻璃纖維界面形成MN(M為玻璃纖維晶體)的結構，再與環(huán)氧樹脂結合，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鍵,使得兩大基體間粘結性更穩(wěn)定。

玻璃纖維與環(huán)氧樹脂反應機理

等離子體處理不產生二次污染，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性質。低溫等離子體在玻璃纖維表面產生大量的羧基等含氧極性基團可以與環(huán)氧樹脂產生化學鍵合作用，有效地增強二者的界面結合能力，對于復合材料電氣和力學性能的提高具有一定作用。