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芳綸纖維具有模量大、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、熱穩(wěn)定性好、比強(qiáng)度高（約為鋼絲的6-7倍）、密度小（僅為鋼絲的1/5）等諸多優(yōu)點(diǎn)，是高性能復(fù)合材料的最佳增強(qiáng)材料之一。它的應(yīng)用范圍遍及軍用和民用領(lǐng)域，包括航空航天、國(guó)防軍事、輪胎骨架、建筑防火材料以及體育用品等。但是，芳綸纖維具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其粘性比較差，非常難與其他材料進(jìn)行復(fù)合應(yīng)用。而解決這一問(wèn)題的最直接、最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法是對(duì)其表面進(jìn)行改性。低溫等離子體改性技術(shù)兼具物理和化學(xué)改性的雙重特點(diǎn)，作用效果比較好。除此之外，這種技術(shù)還兼具節(jié)約能源、綠色無(wú)污染、能耗低、工藝簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在眾多改性方法中具有顯著優(yōu)勢(shì)

芳綸纖維等離子體表面處理改性原理

等離子體之所以可以用于芳綸纖維材料的表面改性主要是因?yàn)榈入x子體中含有大量的活性粒子。這些活性粒子主要包括電子、離子、亞穩(wěn)態(tài)粒子（激發(fā)態(tài)分子和原子、游離的自由基）以及紫外光子等。等離子體中的活性粒子通過(guò)撞擊、輻射等方式作用在材料表面，引起材料表面的物理特性和化學(xué)特性變化。

等離子體中活性粒子的形成過(guò)程如圖1-1所示，空間中的自由電子在電極之間的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中獲得大量能量，轉(zhuǎn)化為高能電子，高能電子在定向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)撞擊到放電空間中的其他粒子，這其中就包括氣體分子以及材料表面的大分子物質(zhì)。氣體分子在被撞擊過(guò)程中，有的就會(huì)躍遷到激發(fā)態(tài)，轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)分子或原子，獲得更高的活性，參與材料表面的化學(xué)反應(yīng)。材料表面的大分子物質(zhì)，因?yàn)楦吣茈娮拥拿土肄Z擊，分子間連接的化學(xué)鍵或者共價(jià)鍵斷裂，形成游離的自由基。

圖1-1 等離子體中活性粒子形成過(guò)程

低溫等離子體中的高活性粒子對(duì)芳綸纖維材料進(jìn)行改性時(shí)，主要有以下幾方面效果：

（1）刻蝕作用

在等離子體改性過(guò)程中，被處理材料放置在等離子體環(huán)境中的，與等離子體直接接觸。等離子體中的活性粒子會(huì)高速撞擊到材料的表面，并造成刻蝕作用，使材料表面變得凹凸不平，增加材料表面的粗糙度，進(jìn)而改性材料的諸多表面性能，比如親水性、潤(rùn)濕性、染色性，抗靜電性等。等離子體刻蝕引起的芳綸纖維表面形貌變化如圖2-1所示。

圖2.2 等離子刻蝕作用后的芳綸纖維表面形貌

等離子體可以在材料的表面形成刻蝕，主要是由于兩方面的原因：一方面，高分子材料是多聚體有機(jī)化合物，由很多單體聚合而成，高能粒子在轟擊材料表面的過(guò)程中，會(huì)打斷單體之間連接的化學(xué)鍵，導(dǎo)致單體脫落，形成自由基，單體脫落后形成了許多凹陷。另一方面，高分子材料的表面會(huì)因?yàn)槠涔逃械氖杷蔁o(wú)序性而出現(xiàn)強(qiáng)度不均勻，在等離子體中處理過(guò)程中，強(qiáng)度較弱的部分會(huì)在高能粒子的撞擊下形成凹坑。

（2）聚合作用和官能團(tuán)引入

低溫等離子體中的活性粒子的能量范圍和高分子材料中常見(jiàn)的化學(xué)鍵能如表2-1和表2-2所示。可以看到，常見(jiàn)的有機(jī)高分子材料鍵能多為幾個(gè)電子伏特，而在等離子體中，諸如電子、光子、離子這些活性粒子的能量均已超過(guò)其結(jié)合能的大小。等離子體中的這些高能粒子會(huì)作用在材料表面后，可以將材料表面的C-C、C-H、C=O等化學(xué)鍵打斷，為接枝其他官能團(tuán)、單體做好準(zhǔn)備。而且，由于高能粒子的轟擊，會(huì)形成許多有力的自由基，這些自由基也會(huì)參與到下一步的反應(yīng)中。

1）等離子體將材料表面的低能級(jí)化學(xué)鍵打斷后，可以在材料表面引入各種極性基團(tuán)，改變其表面的化學(xué)組成，從而改善材料表面的性能。如前文所述，因?yàn)榈入x子體生成環(huán)境的不同，會(huì)形成不同的激發(fā)態(tài)物質(zhì)。在等離子體處理過(guò)程中，這些激發(fā)態(tài)的分子/原子會(huì)被引入到材料表面，改變材料的表面性能。以O(shè)2等離子體為例，氧氣分子在等離子體作用下可以轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的氧會(huì)與材料表面的大分子物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。經(jīng)過(guò)反應(yīng)，在材料表面會(huì)引入大量含氧基團(tuán)，比如-COOH、C-O、-OH等，這些基團(tuán)可以有效地改變材料的表面親水性、粘結(jié)性。

2）除了引入新的官能團(tuán)以外，游離的自由基之間也會(huì)重新鍵合。環(huán)境中的自由基鍵合后會(huì)沉積到材料表面，在被處理材料的表面形成致密的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在一定程度上可以改善材料的力學(xué)性能，并且增加了比表面積，有助于改善表面特性。

低溫等離子體表面處理改性技術(shù)屬于干式工藝，沒(méi)有化學(xué)改性中不可或缺的烘干、廢水處理等工序，具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。其次，由于有各種高能粒子的作用，等離子體改性可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)在常規(guī)條件下不能發(fā)生的反應(yīng)。更重要的是，等離子體改性芳綸纖維僅僅涉及其淺表面，作用深度在納米級(jí)別，一般不會(huì)影響芳綸纖維本身的力學(xué)性能。