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常压等离子体处理对PBO纤维表面性能的多维度影响研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学不断进步的当下，高性能纤维材料凭借其独特优势，在众多领域得到广泛应用，聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）纤维便是其中备受瞩目的一种。PBO纤维自20世纪80年代由美国为发展航天航空事业而开发以来，其研究与应用不断取得新进展。它由苯环、噁唑环和对苯撑基团组成独特分子结构，赋予了纤维一系列优异性能。其强度高达钢的8倍，模量是钢的5倍，能在承受高强度负载的应用场景中发挥显著优势，比如在航空航天领域，可用于制造轻质高强的结构件，提升飞行器的性能与安全性。在耐高温方面表现卓越，长期使用温度可达300℃，短时使用温度甚至可达400℃，分解温度更是高达580℃，在高温环境下仍能保持良好力学性能，可用于制造高温过滤用耐热过滤材料、处理熔融金属现场用的耐热工作服等。而且它还具有出色的化学稳定性，对酸、碱、盐等化学物质有极强耐受能力，在化工领域，可用于制造耐腐蚀的管道和容器，提高设备的耐用性和安全性。此外，PBO纤维密度仅为钢的1/5，在需要减轻重量以提高性能的应用场景，如运动器材领域，可用于制造轻质高强的球拍、高尔夫球杆等，提高运动员的成绩和体验。同时，其优良的阻燃性能，极限氧指数达68，在火焰中不燃烧、不收缩，使其在消防安全领域应用广泛，如用于制造消防服、防火帘等产品，保护人们的安全。

尽管PBO纤维拥有众多优异性能，但在实际应用中，其表面性能的不足限制了它在一些领域的进一步应用与性能发挥。PBO纤维分子中含苯环及芳杂环，取向度高，表面光滑且缺少活性基团，呈化学惰性，这导致其润湿性差，与树脂基体间的界面粘结性能不佳。在复合材料的制备中，纤维与基体间的界面粘结直接影响复合材料的综合性能，界面粘结性能差会使纤维力学性能难以充分发挥，严重制约了PBO纤维在高性能复合材料领域的应用。在制造航空航天用的PBO纤维增强复合材料时，若界面粘结不好，在飞行器飞行过程中，受到各种外力作用，纤维与基体可能会分离，降低复合材料的强度和稳定性，影响飞行器的安全性能。因此，提升PBO纤维的表面性能，增强其与树脂基体间的界面粘结性能，成为拓展PBO纤维应用领域、提高其使用价值的关键。

在众多提升PBO纤维表面性能的方法中，常压等离子体处理技术脱颖而出，展现出独特优势。等离子体是物质的一种特殊状态，由大量带电粒子和中性粒子组成，具有高能量和高反应性。常压等离子体处理技术在常压下利用高频交变电场将气体电离产生等离子态气体，无需复杂的真空系统，成本低，且能够实现连续处理，克服了传统低压等离子体处理的缺点。该技术作用于PBO纤维表面时，一方面，等离子体中的活性粒子与纤维表面相互作用，形成纤维表面自由基和活性基团，提高表面自由能和渗透性。这些活性基团可以与树脂基体发生化学反应，形成化学键，从而增强纤维与基体间的界面粘结。另一方面，活性粒子能够去除纤维表面的有机污染物，使纤维表面更加清洁，有利于与树脂基体的结合。等离子体的刻蚀作用还能使PBO纤维表面变得凹凸不平，增加表面粗糙度和比表面积，进一步提高纤维的润湿性和与树脂基体的机械咬合作用。

研究常压等离子体处理对PBO纤维表面性能的影响具有重要的理论与实际意义。从理论层面来看，深入探究常压等离子体与PBO纤维表面的相互作用机制，有助于丰富和完善材料表面改性的理论体系，为其他高性能纤维的表面改性研究提供参考和借鉴。不同气体氛围、等离子体处理功率、时间等参数对PBO纤维表面性能的影响规律研究，能深化对材料表面物理化学变化过程的认识。从实际应用角度出发，通过优化常压等离子体处理工艺参数，提升PBO纤维的表面性能，可有效拓宽其在航空航天、汽车工业、高性能运动器材、化工、消防安全等领域的应用范围。在航空航天领域，可提高PBO纤维增强复合材料在飞行器结构件中的应用性能和可靠性；在汽车工业中，能用于制造更轻、更强的汽车零部件，提高汽车的燃油效率和安全性能；在高性能运动器材领域，可制造出性能更优异的运动装备，提升运动员的竞技水平。因此，开展常压等离子体处理对PBO纤维表面性能影响的研究具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

1.2PBO纤维概述

PBO纤维，全称聚对苯撑苯并二恶唑纤维（Poly-p-phenylenebenzobisoxazoleFiber），是一种高性能有机纤维。其分子主链由苯环、噁唑环和对苯撑基团构成，这种独特的分子结构为PBO纤维赋予了一系列优异的性能。从分子结构角度来看，苯环和噁唑环的共轭体系使分子链具有较高的刚性和稳定性，对苯撑基团则进一步增强了分子链间的相互作用，从而使PBO纤维表现出高