林子豪，趙雪瑩，李碩磊，李佳狄

（沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧沈陽，110136）

0 引言

芳綸纖維以其高比模量、高比強(qiáng)度、耐疲勞等優(yōu)異性能在航空航天等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是從其結(jié)構(gòu)可知，它是一種具有高度取向結(jié)晶微區(qū)、表面光潔、晶格致密、活性點(diǎn)少、結(jié)晶度高、分子間氫鍵結(jié)合較弱、橫向抗拉強(qiáng)度低、易纖維化的聚酞胺類纖維材料，由于主鏈中龐大苯環(huán)的位阻作用，在復(fù)合材料制備過程中，使得酞胺基團(tuán)很難與樹脂的原子或基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，纖維表面呈現(xiàn)出較大的化學(xué)惰性，纖維與樹脂的界面結(jié)合能較低，粘附性及浸潤性很差，兩相界面粘結(jié)不理想，影響了復(fù)合材料綜合性能的發(fā)揮，限制了它在復(fù)合材料中的廣泛應(yīng)用[4]。因此，針對(duì)提高芳綸纖維復(fù)合材料界面性能的研究是國內(nèi)外材料界研究的熱點(diǎn)，是芳綸纖維復(fù)合材料應(yīng)用中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題之一。對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行改性成為提高復(fù)合材料界面性能的重要途徑。

等離子應(yīng)用于清洗物體表面的污物，由于應(yīng)用等離子清洗所需的介質(zhì)一般由氫氣、氧氣、氫氣等組成，且清洗后生成的產(chǎn)物多為CO2、H2O等無污染的氣體[5]，相對(duì)于濕法清洗工藝省去了干燥過程及廢水處理裝置，所以應(yīng)用其進(jìn)行大面積的表面處理是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的方法[3]。實(shí)踐證明，等離子清洗工藝可以有效的解決因脫模劑而導(dǎo)致的涂裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的問題。無論是從未來生產(chǎn)工藝前瞻性,還是當(dāng)前生產(chǎn)遇到問題的直接性，都需要引入等離子清洗這種高新清洗技術(shù)用以解決上述問題，提高生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)備

采用芳綸纖維復(fù)合料作為基材（尺寸為150mm×50mm×1mm），在材料上附著一定量的脫模劑。

1.1 等離子清洗原理。

等離子體是由正離子、負(fù)離子和自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)分子以及自由基組成的部分電離的氣體。在電子清洗中，主要是低壓氣體輝光等離子體。一些非聚合性無機(jī)氣體在高頻低壓下被激發(fā)，產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子和自由基等多種活性粒子[1][2]。這些活性粒子能與表面材料發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到清洗的目的。

在氧氣等離子體中的氧原子自由基、激發(fā)態(tài)的氧氣分子、電子以及紫外線的共同作用下，脫模劑最終被氧化成水和二氧化碳分子，并從物體表面被清除。等離子體中的活性氧與芳綸纖維材料表面的脫模劑進(jìn)行氧化反應(yīng)。圖1是氧等離子體清洗過程原理圖。

圖1 氧等離子清洗污物

1.2 清洗過程及主要參數(shù)

放入待清洗試片，設(shè)定超聲波電源頻率為40KHz，抽真空壓力達(dá)到0.7mbar，通入氧氣；當(dāng)真空度達(dá)到0.4mbar時(shí)開始清洗，清洗結(jié)束后排出氧氣，關(guān)閉電源，取出試片。清洗設(shè)備組成示意圖見圖2。

圖2 清洗設(shè)備組成示意圖

設(shè)備為Diener Prep2，超聲波電源頻率為40KHz，真空度為0.4mbar，清洗時(shí)間為10min，射頻電源功率分別設(shè)為50W，60W，65W，70W，75W，80W，90W。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 達(dá)因?qū)嶒?yàn)

達(dá)因測量的是材料表面的濕度，即達(dá)因測量的是材料表面上水滴的側(cè)面角度。如果水珠變平了，則該表面的達(dá)因值較高。達(dá)因值越高，材料表面能量越多。因此材料表面的潔凈度也就越高，親水性也就越好。芳綸纖維表面的達(dá)因值越高越好，這樣材料與漆的粘合力也就越好，越容易達(dá)到材料涂裝的要求。在測試中應(yīng)用達(dá)因筆來測量芳綸纖維表面經(jīng)等離子清洗之后的表面張力。

達(dá)因筆有30mN/m-72mN/m總共21種表面能級(jí)的測試墨（每種相差2mN/m）。達(dá)因試筆（例如38mN/m）可以用作材料處理后表面張力的一種快速測試工具。當(dāng)測試筆在處理過的表面劃出一條線，如果墨水?dāng)傞_、擴(kuò)散或者連續(xù)成線，說明該材料表面能不低于38mN/m，如斷斷續(xù)續(xù)不連成線或者收縮成一團(tuán)團(tuán)的墨珠，說明該材料表面能不到38mN/m，處理不足或甚至未處理，不符合要求。能量值越高，表明材料表面張力越大，親水性也就越好。本次實(shí)驗(yàn)用66mN/m、56mN/m、42mN/m和38mN/m四種達(dá)因試筆對(duì)清洗之后的芳綸纖維材料表面進(jìn)行測量。

2.2 接觸角實(shí)驗(yàn)

接觸角是指在固體水平表面上滴一滴水珠，液滴在其表面擴(kuò)散穩(wěn)定后，在固體表面上的固-液-氣三面交界點(diǎn)處，其氣-液的界面和固-液的界面兩切線于液體側(cè)所形成的夾角。接觸角測量原理如圖3。

圖3 接觸角的測量原理

接觸角測試儀，主要用于測量液體對(duì)固體的接觸角，可以測量各種液體對(duì)各種材料的接觸角。接觸角越小,表明材料表面的清潔度越好，材料與涂裝漆的粘合力也就越好。測試采用一款德國產(chǎn)的接觸角測量儀(型號(hào)OCA20)。

3 測試結(jié)果

3.1 達(dá)因筆試驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)，改變清洗時(shí)的功率，其他清洗的參數(shù)均相同。對(duì)應(yīng)設(shè)備的高頻電源最大功率為100W，實(shí)驗(yàn)過程中分別調(diào)至 50W，60W，65W，70W，75W，80W，90W經(jīng)行清洗，然后進(jìn)行達(dá)因測量，達(dá)因筆測試的順序由上而下分別為66mN/m、56mN/m、42mN/m和38mN/m ，每個(gè)等級(jí)的達(dá)因筆顏色不同，但是筆芯的直徑相同。從測量的結(jié)果中可以看出65W、70W和75W清洗之后的測量結(jié)果比較好，66mN/m（藍(lán)黑色）的墨水都有攤開，56mN/m達(dá)因還有擴(kuò)散。50W、60W和80W清洗之后，66mN/m、56mN/m達(dá)因有不明顯收縮，38mN/m達(dá)因有擴(kuò)散。由此可以看出清洗功率過高或者過低都不能達(dá)到要求，因此對(duì)芳綸纖維射頻電源工作在70W至75W左右為最佳。

3.2 涂裝后的效果

采用純氧氣，等離子體的激發(fā)頻率為40KHz的設(shè)備對(duì)芳綸纖維材料表面進(jìn)行清洗，射頻功率為70W，清洗時(shí)間為10分鐘，時(shí)間間隔分別為8小時(shí)、24小時(shí)、48小時(shí)和72個(gè)小時(shí)，然后對(duì)芳綸纖維材料涂覆H01-101H清漆+H06-Y010底漆，經(jīng)過GB/T 9286測試其附著力。先對(duì)材料表面進(jìn)行噴漆并烘干，再對(duì)不同的時(shí)間間隔進(jìn)行百格實(shí)驗(yàn)。

測試結(jié)果，如圖4中可以看出，清洗10分鐘后間隔8小時(shí)、24小時(shí)、48小時(shí)和72小時(shí)之后都達(dá)到了GB/T 9286規(guī)定的一級(jí)指標(biāo)要求，附著力測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 40KHz實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

3.3 不同頻率清洗效果的測量

為了進(jìn)一步證明40KHz為最佳清洗功率，用13.56MHz的設(shè)備進(jìn)行清洗，功率都采用70W。如圖5與圖6中所取得的點(diǎn)為對(duì)應(yīng)清洗頻率與清洗時(shí)間下接觸角實(shí)驗(yàn)中測得的9個(gè)數(shù)據(jù)從小到大所取得的中值。圖5中如“135”表示頻率為13.56MHz，清洗時(shí)間5分鐘；“4010”表示頻率為40KHz,清洗時(shí)間10分鐘。由圖5和圖6所見，40KHz清洗5-10分鐘，測得的接觸角最為理想。

圖5 不同頻率清洗5分鐘的接觸角

圖6 不同頻率清洗10分鐘的接觸角

4 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)表明，清洗芳綸纖維復(fù)合材料用頻率為40KHz的設(shè)備為最好，射頻功率70W至75W左右，清洗時(shí)間5至10分鐘最佳，時(shí)間間隔72小時(shí)之內(nèi)都不掉漆，采用純度為99.99%以上的氧氣進(jìn)行清洗。

采用等離子清洗工藝對(duì)芳綸纖維清洗，除去表面脫模劑以提高涂裝質(zhì)量。結(jié)果表明，經(jīng)等離子清洗后的芳綸纖維表面與漆的粘合力良好，經(jīng)等離子清洗后的涂裝附著力明顯優(yōu)于常規(guī)方法清洗。經(jīng)過百格實(shí)驗(yàn)后，附著力測試結(jié)果達(dá)到了GB/T 9286規(guī)定的一級(jí)指標(biāo)要求，符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。