等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.002

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (9): 7-15.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.002

等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究

张林¹, 夏章川¹, 何亚东¹^,², 信春玲¹^,², 王瑞雪¹^,³, 任峰¹()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.教育部高分子材料加工装备工程研究中心，北京 100029
^3.生物医用材料北京实验室，北京 100029

收稿日期:2022-05-07 出版日期:2022-09-26 发布日期:2022-09-26
通讯作者: 任峰（1982—），男，副教授，研究方向为热塑性树脂基复合材料和生物基复合材料，renfeng@mail.buct.edu.cn
E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2016YFB0302005)

Influence of gas flow of plasma jet carrier on modification effect for glass fiber

ZHANG Lin¹, XIA Zhangchuan¹, HE Yadong¹^,², XIN Chunling¹^,², WANG Ruixue¹^,³, REN Feng¹()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Polymer Processing Equipment Engineering Research Center，Ministry of Education，Beijing 100029，China
^3.Beijing Laboratory of Biomedical Materials，Beijing 100029，China

Received:2022-05-07 Online:2022-09-26 Published:2022-09-26
Contact: REN Feng E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过大气压等离子体射流在玻璃纤维（GF）表面沉积氧化硅（SiO_x）纳米颗粒的方法改善玻璃纤维增强聚丙烯（GFRP）复合材料的界面结合性能，利用扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线光电子能谱等表征分析了改性纤维的表面形貌、化学成分、润湿性能和复合材料的界面结合性能，并考察了等离子体射流载气流量大小对GF改性效果的影响。结果表明，当载气流量为40 mL/min时，GF的改性效果最好，且此时GF的表面能相比对照组提高了43.18 %，GFRP复合材料的层间剪切强度提高了30.79 %；经过等离子体处理后，GF的表面粗糙度增大，极性官能团增多，复合材料的界面结合性能提升。

关键词: 聚丙烯, 等离子体射流, 氧化硅纳米颗粒, 玻璃纤维, 复合材料, 表面改性

Abstract:

In this study， a cold atmospheric pressure plasma jet was conducted to modify glass fiber. To improve the interfacial bonding properties of glass⁃fiber⁃reinforced polypropylene composites， SiO_x nanoparticles were polymerized on the fiber surfaces. The properties of the modified fibers and composites， including surface morphology， chemical composition， wettability and interfacial bonding properties， were studied systematically to understand the influence of gas flow rate of the carrier on the modification effect of glass fiber. The optimal parameter was determined to be a gas flow rate of 40 mL/min. The results indicated that after plasma treatment， the fibers achieved an improvement in the surface energy by 43.18 % compared to that of the control samples. The interlaminar shear strength of glass⁃fiber⁃reinforced polypropylene composites was improved by 30.79 % when compared to the control. The high surface roughness and the content of oxygen⁃containing polarity functional groups in the glass fiber after the plasma treatment promoted an enhancement in interlaminar shear strength.

Key words: polypropylene, plasma jet, silicon oxide nanoparticle, glass fiber, composite, surface modification

中图分类号:

TQ327.1

张林, 夏章川, 何亚东, 信春玲, 王瑞雪, 任峰. 等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 7-15.

ZHANG Lin, XIA Zhangchuan, HE Yadong, XIN Chunling, WANG Ruixue, REN Feng. Influence of gas flow of plasma jet carrier on modification effect for glass fiber[J]. China Plastics, 2022, 36(9): 7-15.

图/表 15

图1 大气压等离子体射流装置图

Fig.1 Schematic diagram of atmospheric pressure plasma jet system

图2 GFRP复合材料制备过程示意图

Fig.2 Schematic diagram of GFRP composite preparation process

元素	化学键种类	结合能/eV
C	C—C	284.8
	C—O	286.7
	O—C=O	289.0
Si	Si—O—Si	102.0
	Si—O—H	103.1
	C—Si—O	101.7
	Si—O	103.5

表1 官能团结合能对照表

Tab.1 Comparison table of binding energy of functional groups

测试液体	$γ L$ /mN·m^-1	$γ L D$ /mN·m^-1	$γ L P$ /mN·m^-1
水（DW）	72.8	21.8	51.0
二碘甲烷（DIO）	50.8	48.5	2.3

测试液体	$γ L$ /mN·m^-1	$γ L D$ /mN·m^-1	$γ L P$ /mN·m^-1
水（DW）	72.8	21.8	51.0
二碘甲烷（DIO）	50.8	48.5	2.3

表2 溶剂参数

Tab.2 Solvent parameters

表2 溶剂参数

Tab.2 Solvent parameters

图3 不同载气流量时单根GF的SEM图像

Fig.3 SEM images of glass fiber surface topography under different carrier gas flow

图4 不同载气流量时SiOx纳米颗粒的尺寸分布直方图

Fig.4 Histogram of the size distribution of SiOx nanoparticles under different carrier gas flow rate

图5 不同载气流量时SiOx纳米颗粒间距分布直方图

Fig.5 Histogram of the spacing distribution of SiOx nanoparticles under different carrier gas flow rate

载气流量/ mL·min^-1	元素含量/%			O/C元素比
载气流量/ mL·min^-1	C	Si	O	O/C元素比
对照组	70.03	6.50	23.47	0.335
20	69.56	6.47	23.96	0.344
40	69.30	6.45	24.25	0.350
80	68.19	6.40	25.41	0.373

表3 各组GF的元素组成

Tab.3 Elemental composition of different groups of glass fibers

图6 对照组和不同载气流量条件下GF的C 1s分峰拟合结果

Fig.6 Fitting results of C 1s peaks of control group and plasma⁃treated GF with different carrier gas flow rate

图7 对照组和不同载气流量条件下GF的Si 2p分峰拟合结果

Fig.7 Fitting results of Si 2p peaks of control group and plasma⁃treated GF with different carrier gas flow rate

图8 不同载气流量时GF的水接触角和表面能变化情况

Fig.8 Results of glass fiber water contact angle and surface energy at different carrier gas flows

组别	元素含量/%			O/C 元素比
组别	C	Si	O	O/C 元素比
对照组	70.03	6.50	23.47	0.335
等离子处理120 s，未漂洗	66.76	6.46	26.78	0.401
等离子处理120 s，漂洗20 min	69.49	6.38	24.14	0.347

表4 未漂洗与漂洗后GF的元素组成

Tab.4 Elemental composition of neat and rinsed GF

图9 GF的Si 2p分峰拟合结果

Fig.9 Fitting results of Si 2p peaks of GF

图10 不同载气流量条件下GFRP复合材料层间剪切强度

Fig.10 Results of interlaminar shear strength of GFRP composites under different carrier gas flow

图11 不同载气流量条件下GFRP复合材料界面SEM图像

Fig.11 SEM images of GFRP composite interface under different carrier gas flow

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