等离子体处理提高中空玻璃微珠/环氧树脂复合材料性能-plasma treatment

环氧树脂(epoxyresin,EP)具有优异的综合性能,如耐热性、机械性能、加工性、电气绝缘性、稳定性等,在电子器件、建筑工程、汽车配件、航空航天仪器设备等领域应用广泛。然而,EP也存在一些如交联密度高以及内应力导致的易开裂、抗冲击韧性差、阻燃性差等问题。为提高EP的综合性能,通常将其与有机或无机填料,如玻璃纤维、碳纤维、氧化铝、中空玻璃微珠(hollowglassbead,HGB)等复合。其中,HGB因其质轻、强度高、易分散、绝缘和耐热性能优异等特点,常被用于EP的轻量化、高强度改性。通常,未改性的填料表面光滑,且无活性基团,与聚合物基体之间的相互作用力较弱,难以有效实现所承载应力的传递和扩散,进而无法达到较高的综合性能。

为提高HGB与聚合物基体间的界面结合力,一些研究者采用偶联剂、聚多巴胺、水性上浆剂等对HGB进行表面改性。以上方法主要是采用化学试剂在HGB表面引入活性基团,效率较低,且对环境存在一定的负面影响。物理表面改性,如等离子体、高能射线、超声波等物理改性方法也能够在HGB表面引入活性基团,可避免化学试剂的使用。其中,等离子体表面改性可使填料表面的惰性基团变成活性基团,从而增大填料与基体间的分子作用力;同时,等离子体表面处理具有类似刻蚀的作用,可增强机械互锁作用。

等离子体处理对HGB的微观形貌和表面基团影响分析

由图1可知,经过等离子体表面处理后,HGB-0表面光滑程度降低,粗糙度有所增加,且出现类似烧蚀的痕迹,这是因为等离子体处理使HGB表面出现刻蚀现象。由图2可知,经过等离子表面处理后,HGB在2918cm^-1和2849cm^-1处出现较为明显的新吸收峰,这是醛基中C—H键的特征峰。这表明真空等离子表面处理成功在HGB表面引入活性基团,这有利于增强HGB与EP之间的相互作用。

HGB的表面浸润性分析

水滴落在HGB表面时的接触角见图3,其完全铺展(接触角降至0°的时间)所用时间见表1。由表1可知,未经改性的HGB在水滴落时(0s时)的接触角为56.5°,而在3.2s后完全铺展。经等离子体表面处理1h后,HGB在0s的接触角和水完全铺展时间分别降至47.3°和2.4s,表明浸润性提高。这是因为等离子体表面处理为HGB表面引入了活性基团。

综上分析，通过等离子体处理在HGB表面产生的活性基团可显著提高其表面浸润性,提升HGB和EP界面间的相互作用力,进而有效提高复合材料的力学性能。