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環(huán)氧樹脂(epoxyresin,EP)具有優(yōu)異的綜合性能,如耐熱性、機(jī)械性能、加工性、電氣絕緣性、穩(wěn)定性等,在電子器件、建筑工程、汽車配件、航空航天儀器設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而,EP也存在一些如交聯(lián)密度高以及內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的易開裂、抗沖擊韌性差、阻燃性差等問題。為提高EP的綜合性能,通常將其與有機(jī)或無機(jī)填料,如玻璃纖維、碳纖維、氧化鋁、中空玻璃微珠(hollowglassbead,HGB)等復(fù)合。其中,HGB因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高、易分散、絕緣和耐熱性能優(yōu)異等特點(diǎn),常被用于EP的輕量化、高強(qiáng)度改性。通常,未改性的填料表面光滑,且無活性基團(tuán),與聚合物基體之間的相互作用力較弱,難以有效實(shí)現(xiàn)所承載應(yīng)力的傳遞和擴(kuò)散,進(jìn)而無法達(dá)到較高的綜合性能。

為提高HGB與聚合物基體間的界面結(jié)合力,一些研究者采用偶聯(lián)劑、聚多巴胺、水性上漿劑等對HGB進(jìn)行表面改性。以上方法主要是采用化學(xué)試劑在HGB表面引入活性基團(tuán),效率較低,且對環(huán)境存在一定的負(fù)面影響。物理表面改性,如等離子體、高能射線、超聲波等物理改性方法也能夠在HGB表面引入活性基團(tuán),可避免化學(xué)試劑的使用。其中,等離子體表面改性可使填料表面的惰性基團(tuán)變成活性基團(tuán),從而增大填料與基體間的分子作用力;同時(shí),等離子體表面處理具有類似刻蝕的作用,可增強(qiáng)機(jī)械互鎖作用。

等離子體處理對HGB的微觀形貌和表面基團(tuán)影響分析

由圖1可知,經(jīng)過等離子體表面處理后,HGB-0表面光滑程度降低,粗糙度有所增加,且出現(xiàn)類似燒蝕的痕跡,這是因?yàn)榈入x子體處理使HGB表面出現(xiàn)刻蝕現(xiàn)象。由圖2可知,經(jīng)過等離子表面處理后,HGB在2918cm^-1和2849cm^-1處出現(xiàn)較為明顯的新吸收峰,這是醛基中C—H鍵的特征峰。這表明真空等離子表面處理成功在HGB表面引入活性基團(tuán),這有利于增強(qiáng)HGB與EP之間的相互作用。

HGB的表面浸潤性分析

水滴落在HGB表面時(shí)的接觸角見圖3,其完全鋪展(接觸角降至0°的時(shí)間)所用時(shí)間見表1。由表1可知,未經(jīng)改性的HGB在水滴落時(shí)(0s時(shí))的接觸角為56.5°,而在3.2s后完全鋪展。經(jīng)等離子體表面處理1h后,HGB在0s的接觸角和水完全鋪展時(shí)間分別降至47.3°和2.4s,表明浸潤性提高。這是因?yàn)榈入x子體表面處理為HGB表面引入了活性基團(tuán)。

綜上分析，通過等離子體處理在HGB表面產(chǎn)生的活性基團(tuán)可顯著提高其表面浸潤性,提升HGB和EP界面間的相互作用力,進(jìn)而有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。