1、前言

高性能纖維由于有某些特殊的性能，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，特別是以增強(qiáng)材料的復(fù)合，功能性材料的廣泛應(yīng)用，使得復(fù)合材料的預(yù)成型的工藝越來越復(fù)雜、加工過程中的機(jī)械化、自動(dòng)化的程度越來越高；目前復(fù)合材料已向結(jié)構(gòu)件、主承力件、承受動(dòng)載荷、沖擊載荷件的方向發(fā)展。但是，碳纖維、玻璃纖維的斷裂伸長率小。玻璃纖維的耐磨性、耐扭斷性差，吸水后裂紋擴(kuò)展，更檢第了本身的耐磨性、耐扭斷性。碳纖維存在脆弱性等缺點(diǎn)，因此高性能纖維的可紡性、可織性較差。高性能纖維表面活性能低，基體與纖維在界面上難以形成理想的結(jié)合，這將會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。對高性能纖維進(jìn)行表面處理是解決這些問題的最有效的方法。這一領(lǐng)域的研究十分活躍，并取得了許多重要成果。

2、高性能纖維表面處理技術(shù)和研究

2.1 碳纖維

碳纖維存在脆弱性和抗氧化性等缺點(diǎn)，很少單獨(dú)使用。若單獨(dú)使用，在彎曲時(shí)極易破壞。故常與基體材料復(fù)合，加工成型成不同的復(fù)合材料。

為了促進(jìn)碳纖維與基體（金屬、陶瓷、橡膠等）兩相之間的粘接，提高復(fù)合材料性能，一般對碳纖維進(jìn)行涂層處理，所獲得的涂層制品皆可稱之為碳纖維中間產(chǎn)品。樹脂基復(fù)合材料中間制品將是熱固性或熱塑性樹脂浸漬、涂膜或混煉到碳纖維束絲或短切纖維。氈或織物中制成不同品種的預(yù)浸料、粒料和片狀模塑等半成品；金屬基復(fù)合材料中間制品是采用CVD、熔融金屬預(yù)浸劑、離子鍍和電鍍等方法，將涂層物（如鈦硼鈉鋅鎂銅鋯硅及其碳化物）復(fù)合到碳纖維表面，制成涂層（單層成分或多層成分）的碳束絲，再通過基體金屬熔融，使液態(tài)金屬基體均勻地浸漬到已涂層地纖維束中，形成金屬基復(fù)合體。
      由于碳纖維為圓截面，比表面積小，邊緣活性原子少，表面能低，表面與樹脂接觸角大，使得纖維與樹脂接觸不良。為了克服這些缺陷，常對纖維進(jìn)行表面氧化處理、涂層處理、電聚合和電沉積處理、等離子體處理。氧化處理由氣相、液相、陽極氧化三類。所有的氧化處理都是減量處理，即纖維在氧化的刻蝕作用下，被清潔、剝離和粗化。涂層法一般多應(yīng)用沉積土層法，在高溫或還原氣氛中使金屬鹵化物等以碳化物的形式在纖維表面形成沉積膜。電聚合法是將現(xiàn)瓦誒作為陽極，在電極液中加入含不飽和的丙稀酸酯、苯乙烯、丙稀腈等大單體，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生自由基，在纖維表面發(fā)生聚合形成含有大分子支鏈的碳，以提高碳纖維表面活性。
      對碳纖維進(jìn)行等離子表面處理的研究和應(yīng)用成果很多。目前，常用的方法由（1）冷等離子體表面處理。在低壓（2～20Pa）下，相密閉的容器輸入高頻電源（一般13.6Hz）電感耦合而使氣體產(chǎn)生等離子，依氣體的化學(xué)處理活性不同，可分為惰性氣體（N2、Ar、He）等離子體處理活性氣體（O2、NH3、CO2）等離子體處理。（2）電暈放電等離子體處理，使用的氣體可以是惰性氣體或活性氣體、碳纖維表面等離子體處理后，拉伸強(qiáng)度提高70％左右。 

2.1 玻璃纖維

在拉制連接玻璃纖維中，在單根纖維表面涂敷的一種由粘結(jié)組分、潤滑組分和表面活性劑配置合成的乳液統(tǒng)稱為浸潤劑，分成紡織型和增強(qiáng)型兩種。20世紀(jì)80年代國外開發(fā)了增強(qiáng)紡織型浸潤劑。中國使用的紡織型浸潤劑主要是石蠟型浸潤劑。國際上廣泛使用的是淀粉－油浸潤劑。紡織型浸潤劑具有良好的集束性、浸滑性、成膜性和抗靜電性。主要用于生產(chǎn)玻璃纖維紡織加工制品，如玻璃紗線和織物等。增強(qiáng)型浸潤劑是專門為了生產(chǎn)增強(qiáng)用玻璃纖維發(fā)展起來的，它除了能滿足纖維生產(chǎn)工藝要求外，還要滿足纖維制品加工以及玻璃纖維復(fù)合材料成型中的多方面要求，更主要的是改善樹脂對纖維浸潤行，提高樹脂與纖維的粘接力。主要成分油：成膜劑、偶聯(lián)劑、潤滑劑和潤濕機(jī)、抗靜電劑及其它添加劑。
      增強(qiáng)紡織型親潤劑是國際上80年代新發(fā)展的用于三向編織紗的親潤劑，其紗既有良好的紡織性能既有良好的紡織性能，可經(jīng)受苛刻的制造條件而保持較高的強(qiáng)度，又可直接浸潤樹脂，有較高的浸透性。此種浸潤劑的成膜劑主要采用水溶性聚氨酯乳液，聚丙烯酸酯乳液等。此種浸潤劑已在中國研制成功，定名為N-40系列增強(qiáng)型親潤劑。
       研究表明，玻璃纖維經(jīng)0.2％陽離子活性劑水溶液處理后，耐磨性提高200多倍，經(jīng)A-172硅烷偶聯(lián)劑處理，耐扭斷性液可大幅度提高。而且，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維能有效地解決玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，由于聚丙烯基體材料地非常性而導(dǎo)致纖維界面粘性差，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能的問題，研究表面，馬來酸酐接枝改性的基體與未經(jīng)偶聯(lián)劑溶液處理的玻璃纖維能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成良好的界面粘性，顯著提高復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能。  

2.3  超高分子量聚乙烯纖維
       超高分子量聚乙烯纖維具有高強(qiáng)度、高模量的獨(dú)特性能，其力學(xué)性能已超過了KEVLAR纖維。質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、優(yōu)異的耐沖擊性能。但由于聚乙烯大分子無極性基團(tuán)，無化學(xué)活性，表面能很低，纖維與樹脂之間難以產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，纖維分子與樹脂分子之間不易產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用力，纖維液不易倍樹脂浸潤。纖維表面光滑，纖度較高，比表面積小，不利于纖維與樹脂的結(jié)合。
      改善纖維粘接強(qiáng)度的有效方法之一是在纖維的表面引入反應(yīng)性基團(tuán)，使制能與基體材料分子上的基團(tuán)反應(yīng)，同時(shí)，又能增加纖維表面能，并改善纖維的浸潤行。引入反應(yīng)性基團(tuán)通常采用化學(xué)刻蝕或接枝，涂層和氧化等方法，但因纖維的化學(xué)惰性，很難改善纖維的表面粘合性。低溫等離子體表面改性能有效地提高纖維地表面能，并引入極性基團(tuán)，產(chǎn)生刻蝕，從而提高和改善纖維與樹脂地結(jié)合能力，而對纖維地性能損傷很小。
      有機(jī)氣體或蒸氣和通過等離子態(tài)形成聚合物，在纖維比哦阿門形成涂層，從而改變表面性能。如：丙稀胺等離子處理UHMW-PE纖維時(shí)，在纖維表面形成地聚合物層中含有大量地一級(jí)胺，少量地二級(jí)胺、三級(jí)胺、腈等官能團(tuán)，還有CO、CN等不飽和官能團(tuán)，是纖維地界面粘合性有所改善。但對纖維本身強(qiáng)度有輕微地?fù)p傷。
      日本三菱化成公司對浸漬環(huán)氧樹脂錢地UHMW-PE纖維進(jìn)行火焰處理，制得的預(yù)浸料和片材適用于作船舶的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑板材。Stamicarbon公司采用材氧或二氧化碳中進(jìn)行電暈來處理UHMW-PE纖維表面，大大提高了纖維對聚酯、環(huán)氧和聚酰胺基材的粘結(jié)性，處理后纖維的熔點(diǎn)可提高8℃。另外，在紡絲液中添加填料液可改善纖維的粘結(jié)性、浸潤性。

2.4 芳綸纖維 
      芳綸纖維表面改性方法主要有化學(xué)改性和物理改性方法兩種。化學(xué)改性是通過硝化/還原、鹵氯磺化等化學(xué)反應(yīng)，在纖維表面引入胺基等活性或極性基團(tuán)，通過化學(xué)鍵合或極性作用提高纖維與基體之間的粘合強(qiáng)度；而物理改性方法則是通過等離子體，電子束等物理技術(shù)對纖維表面進(jìn)行刻蝕和清洗，并在纖維表面引入羥基、 羰基等極性或活性基團(tuán)，還可以在纖維表面形成一些活性中心，進(jìn)而引發(fā)接枝聚合，通過刻蝕、清洗、活化和接枝的綜合作用，改善纖維表面的物理和化學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而提高纖維與基體之間的相互作用。在上述改性方法中，冷等離子體改性是應(yīng)用最為廣泛的一種。
      有些學(xué)者將一種大分子接枝偶聯(lián)劑MGC,   采用等離子體處理將大分子直接接枝到F-12.采用硅烷偶聯(lián)劑A和雙官能的大分子預(yù)聚物B在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┐呋律纱蠓肿咏又ε悸?lián)劑MGC系列，將纖維收卷在框上，在120℃、20㎜Hg真空干燥5h，然后將框放入等離子體腔中，使用N2等離子體在0.1㎜Hg的真空下，對纖維預(yù)處理30h將預(yù)處理的纖維涂上接枝劑，將溶劑烘干后進(jìn)行等離子體接枝反應(yīng)。結(jié)果表明：在F－12/環(huán)氧復(fù)合材料的界面上存在應(yīng)力集中，小分子量的MGCj接枝劑等離子體接枝后，能夠消除應(yīng)力集中，但是不能增強(qiáng)纖維表面與樹脂基體之間的相互作用，反而形成弱界面層；大分子量的MGC接枝到纖維表面以后，能夠在纖維表面與樹脂基體之間引入擴(kuò)散界面，不但能夠消除應(yīng)力集中，而且使界面性能有較大提高。

      3 、 結(jié)束語
      以上介紹了幾種高性能纖維的相對成熟的表面處理技術(shù)，這些處理技術(shù)所產(chǎn)生的產(chǎn)品有的已經(jīng)進(jìn)入市場，在各行各業(yè)發(fā)揮其獨(dú)特的作用，有的還處于市場探索階段。國內(nèi)外紡織界正在共同努力，不斷研究開發(fā)新的高性能纖維劑及其表面處理方法，高性能纖維必將在人們的日常生活和國家建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。