本發(fā)明屬于新型復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種等離子改性玻璃纖維的制備裝置。本發(fā)明還涉及該等離子改性玻璃纖維的制備方法。本發(fā)明還涉及利用該方法制備的等離子改性玻璃纖維的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

無堿玻璃纖維通常用作環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)材料，復(fù)合環(huán)氧樹脂具有絕緣性能良好、機(jī)械強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在電氣領(lǐng)域里有廣泛的應(yīng)用前景。然而由于玻璃纖維自身的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其與環(huán)氧樹脂基體之間的結(jié)合性差，故需要對其進(jìn)行表面處理，使其更易于與環(huán)氧樹脂結(jié)合，從而提高復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。

目前，對纖維材料的表面改性方式有很多，其中包括：化學(xué)改性、偶聯(lián)劑改性、等離子體改性、輻射改性等。國內(nèi)外的主要研究基本采用偶聯(lián)劑改性纖維，使其性能得到一定提高。這是因?yàn)榕悸?lián)劑分子中含有與基體樹脂結(jié)構(gòu)相似的基團(tuán)，從而增強(qiáng)纖維與基體樹脂之間的作用力來獲得良好的界面性能。但偶聯(lián)劑的加入會使復(fù)合材料中引入一定雜質(zhì)，反而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和絕緣性能，同時，偶聯(lián)劑屬于化學(xué)試劑，在一定程度上對環(huán)境有不良的影響，因此在復(fù)合材料領(lǐng)域里的應(yīng)用受到限制。而等離子體處理材料具有效率高、不產(chǎn)生污染和方便操作等優(yōu)點(diǎn)，對于復(fù)合材料的性能有一定程度的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種等離子改性玻璃纖維的制備裝置，解決了現(xiàn)有改性方法制備的改性玻璃纖維難以與環(huán)氧樹脂基體結(jié)合從而導(dǎo)致力學(xué)性能不好的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種等離子改性玻璃纖維的制備裝置，包括脈沖電源裝置、放電裝置以及測量裝置，脈沖電源裝置包括脈沖電源和與其相連接的電壓調(diào)節(jié)器，放電裝置包括高壓電極和地電極，在高壓電極下表面設(shè)置有單邊阻擋介質(zhì)，測量裝置包括示波器。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

高壓電極與地電極相對設(shè)置，高壓電極與脈沖電源連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)與地電極連接。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)與5V直流電源連接，地電極下方設(shè)置有碳刷，碳刷一端接地，一端緊貼地電極，起到接地作用。

示波器與220V交流電源連接，示波器與脈沖電源通過兩根信號線連接，分別用來傳輸電壓信號和電流信號，220V交流電源還與脈沖電源和電壓調(diào)節(jié)器分別連接。

脈沖電源裝置的型號為CTP2000K；示波器的型號為ADS1102。

本發(fā)明的另一目的是提供利用上述裝置進(jìn)行的等離子改性玻璃纖維的制備方法。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案是，一種等離子改性玻璃纖維的制備方法，利用了權(quán)利要求1等離子改性玻璃纖維的制備裝置，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，玻璃纖維的預(yù)處理，

步驟2，利用等離子改性玻璃纖維的制備裝置對步驟1進(jìn)行過預(yù)處理的玻璃纖維進(jìn)行等離子體改性。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

步驟1具體為：

步驟1.1，將玻璃纖維放入含有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗0.5～1h，去除玻璃纖維表面污穢；玻璃纖維的長度為0.15mm～0.2mm，單絲直徑為11μm～15μm；

步驟1.2，將步驟1.1中清洗后的玻璃纖維放入烘箱中烘干至無水分；烘干溫度為120℃～130℃，烘干時間8h～10h。

步驟2具體為：

步驟2.1，將玻璃纖維放入該制備裝置的放電區(qū)域中，放電區(qū)域是地電極6和單邊阻擋介質(zhì)之間的區(qū)域，具體來說，玻璃纖維平鋪在地電極6上；

步驟2.2，開始處理，進(jìn)行處理時的參數(shù)為：工作環(huán)境：空氣；工作氣壓為大氣壓下；工作溫度為25℃；脈沖電源的頻率為11kHz～12kHz；外加電壓峰值為20kV～22kV；高壓電極和地電極電極之間的放電功率為70W～71W；處理時間：30s～540s。

本發(fā)明的第三個目的是提供一種利用該改性后的玻璃纖維制備的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

本發(fā)明的第三個技術(shù)方案是，一種利用等離子改性玻璃纖維制備的復(fù)合材料，利用上述等離子改性玻璃纖維的制備方法制備的等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合制備，其中等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110，等離子改性玻璃纖維采用等離子改性玻璃纖維的制備裝置進(jìn)行制備。

本發(fā)明的特征還在于，

復(fù)合材料按照以下方法制備：

步驟A，對環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度為80℃～100℃，加熱時間為5min～10min；

步驟B，按照玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110的比例稱取玻璃纖維以及經(jīng)步驟1預(yù)加熱后的環(huán)氧樹脂，并將兩者混合后放入超聲波水浴中進(jìn)行加熱，溫度為50～60℃，同時進(jìn)行攪拌，攪拌速度為1200r/min～1400r/min，攪拌時間20min～30min；

步驟C，在步驟B制成的分散均勻的混合液中加入固化劑和促進(jìn)劑，玻璃纖維的用量與固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量滿足如下比例，玻璃纖維：固化劑：促進(jìn)劑＝30:70～80:1～1.5；

步驟D，將步驟C中攪拌均勻的混合液倒入提前預(yù)熱后且涂有脫模劑的不銹鋼模中，抽真空20min～30min，不銹鋼模預(yù)熱時的溫度為80～100℃；

步驟E，將不銹鋼模放入到真空干燥箱中進(jìn)行固化，按照一定時間梯度固化完全后，即制得等離子改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料。固化時間按照以下時間梯度進(jìn)行：

100℃/1h+110℃/1h+120℃/1h+140℃/2h+150℃/1h。

本發(fā)明的有益效果是，為了解決玻璃纖維表面光滑，難與環(huán)氧樹脂結(jié)合這一問題，針對常壓下低溫等離子體的放電機(jī)理，與材料表面改性相結(jié)合，制作一種新型低溫等離子體表面處理材料的實(shí)驗(yàn)裝置。通過常壓低溫等離子體處理后，玻璃纖維表面出現(xiàn)大量刻蝕坑，引入大量自由基，相鄰自由基之間發(fā)生鍵合作用，在纖維表面構(gòu)成交聯(lián)層，使表面粗糙程度增大；同時，與空氣中的O、N元素相結(jié)合，形成新的含氧、含氮官能團(tuán)，提高纖維表面極性，增加親水性，使其更易與環(huán)氧樹脂基體相結(jié)合，并且其耐熱性能很好，可以制備出耐熱性能好的復(fù)合材料，擴(kuò)展其使用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種等離子改性玻璃纖維的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是未經(jīng)本發(fā)明的裝置及方法進(jìn)行改性時的玻璃纖維表面的SEM圖；

圖3是采用本發(fā)明的裝置及方法處理后的玻璃纖維表面的SEM圖；

圖4是未改性和采用本方法改性后的玻璃纖維FTIR對比圖；

圖5是未改性和采用本方法改性后的玻璃纖維XPS對比圖；

圖6是未改性和采用本方法改性后的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸、彎曲性能對比圖；

圖7是未改性和采用本方法改性后的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的沖擊性能對比圖。

圖中，1.脈沖電源，2.示波器，3.電壓調(diào)節(jié)器，4.220V交流電源，5.高壓電極，6.地電極，7.碳刷，8.旋轉(zhuǎn)電機(jī)，9.單邊阻擋介質(zhì)，10.玻璃纖維，11.5V直流電源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種等離子改性玻璃纖維的制備裝置，如圖1所示，包括脈沖電源裝置、放電裝置以及測量裝置。

脈沖電源裝置包括脈沖電源1和與其相連接的電壓調(diào)節(jié)器3，其作用是給裝置提供脈沖電壓，調(diào)壓器升壓階段觀察裝置的放電現(xiàn)象，直到均勻放電。

其中，脈沖電源裝置的型號為CTP2000K；

放電裝置包括高壓電極5和地電極6，高壓電極5與地電極6相對設(shè)置，旋轉(zhuǎn)電機(jī)8與地電極6連接，帶動地電極旋轉(zhuǎn)，起到增大處理材料的概率的作用，使材料均勻處理；旋轉(zhuǎn)電機(jī)8與5V直流電源11連接，直流電源11負(fù)責(zé)給旋轉(zhuǎn)電機(jī)供電，使其旋轉(zhuǎn)。在高壓電極5下表面設(shè)置有單邊阻擋介質(zhì)9，高壓電極5與脈沖電源1連接，地電極6下方設(shè)置有碳刷7，碳刷7一端接地，一端緊貼地電極，起到接地作用。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)8的轉(zhuǎn)速為12r/min～15r/min；

單邊阻擋介質(zhì)9為長寬各為100mm的石英玻璃；單邊阻擋介質(zhì)9即形成微放電通道所需的介質(zhì)。

地電極6為直徑50mm、厚度30mm的圓形不銹鋼制成，

測量裝置包括示波器2，示波器2與220V交流電源4連接，示波器2的型號為ADS1102；示波器2在升壓期間通過示波器觀察電壓的數(shù)值。

220V交流電源4還與脈沖電源1和電壓調(diào)節(jié)器3分別連接為它們供電；在地電極6上均勻地鋪放著玻璃纖維10，鋪放玻璃纖維的厚度為0.5mm～1mm；放電區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)與地電極，放電距離為3mm。

放電區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)與地電極，放電距離為3mm。

示波器2與脈沖電源1通過兩根信號線連接，分別用來傳輸電壓信號和電流信號。

本發(fā)明的等離子改性玻璃纖維的制備裝置，在工作時，通過脈沖電源和調(diào)壓器給本裝置加壓，在升壓的過程中，通過觀察放電現(xiàn)象，直到高壓電極和地電極之間均勻放電時，記錄示波器上的波形以及外加電壓峰值、脈沖電源頻率以及放電功率，通過給高壓電極和地電極之間加壓，形成電場，在電場的作用下獲得加速動能的帶電粒子與氣體分子碰撞，導(dǎo)致氣體擊穿放電而形成等離子體。等離子體中含有離子、激發(fā)態(tài)分子、自由基等多種活性粒子，這些活性粒子能與材料表面進(jìn)行相互作用，在材料表面引入特定官能團(tuán)、產(chǎn)生表面刻蝕、形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)或是在材料表面生成自由基。在材料表面引入大量含氧基團(tuán)可以提高材料表面極性，增加親水性，進(jìn)而使其易于與環(huán)氧樹脂相結(jié)合。同時產(chǎn)生刻蝕坑，也大大增強(qiáng)了纖維材料與環(huán)氧樹脂之間的鍵合作用。

本發(fā)明的裝置的工作原理主要是，在介質(zhì)阻擋放電時，其放電的發(fā)展過程主要包括以下幾個階段：首先，氣體在外加電場的作用下產(chǎn)生電離，電離出的自由電子在電場的作用下作加速運(yùn)動，加速后的電子通過與氣體原子和分子的不斷碰撞，產(chǎn)生新的自由電子，并逐步形成電子崩；隨著電子崩的發(fā)展，在電子運(yùn)動路徑上產(chǎn)生了大量的空間電荷，空間電荷的存在將畸變局部電場，電子崩頭部局部電場畸變到一定程度將使附近氣體形成光電離，并產(chǎn)生二次電子崩；隨著光電離的逐漸加強(qiáng)以及空間電荷靜電場的作用，更多的二次電子崩將逐步匯入空間電荷區(qū)域，形成流注；當(dāng)流注發(fā)展到陰極介質(zhì)附近，氣隙中形成了貫穿性電離通道，即微放電通道；當(dāng)施加電場降低或在介質(zhì)表面空間電荷場的作用下，放電通道內(nèi)的場強(qiáng)不足以維持放電，微放電將逐漸變?nèi)踔敝料?；最后，隨著施加電場場強(qiáng)的再度升高或極性的反轉(zhuǎn)，下一次放電過程又將重新開始。

本發(fā)明一種等離子改性玻璃纖維的制備方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，玻璃纖維的預(yù)處理，具體步驟為:

步驟1.1，將玻璃纖維放入含有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗0.5～1h，去除玻璃纖維表面污穢；玻璃纖維的長度為0.15mm～0.2mm，單絲直徑為11μm～15μm；

步驟1.2，將步驟1.1中清洗后的玻璃纖維放入烘箱中烘干至無水分；烘干溫度為120℃～130℃，烘干時間8h～10h；

步驟2，利用等離子改性玻璃纖維的制備裝置對步驟1進(jìn)行過預(yù)處理的玻璃纖維進(jìn)行等離子體改性，具體步驟為：

步驟2.1，將玻璃纖維放入該制備裝置的放電區(qū)域中，放電區(qū)域是地電極6和單邊阻擋介質(zhì)之間的區(qū)域，具體來說，玻璃纖維平鋪在地電極6上；

步驟2.2，開始處理，進(jìn)行處理時的參數(shù)為：工作環(huán)境：空氣；工作氣壓為大氣壓下；工作溫度為25℃；脈沖電源的頻率為11kHz～12kHz；外加電壓峰值為20kV～22kV；高壓電極和地電極電極之間的放電功率為70W～71W；處理時間：30s～540s。

另外，考慮到絲狀放電不均勻，不能完全處理到材料的各個表面，為增大玻璃纖維被處理的表面積，使其均勻處理，故在地電極6下面接一旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使材料能夠均勻地處理，以增大玻璃纖維被處理的概率，旋轉(zhuǎn)電機(jī)8帶動地電極6以11kHz～12kHz的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。碳刷7的作用是碳刷的一端接地，另一端與地電極相接觸，起到使地電極接地作用。

一種利用上述方法制備好的等離子改性玻璃纖維制備的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其特征在于，利用等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合制備，其中玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110。

復(fù)合材料，按照以下方法制備而成：

步驟1，對環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度為80℃～100℃，加熱時間為5min～10min；

步驟2，按照玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110的比例稱取玻璃纖維以及經(jīng)步驟1預(yù)加熱后的環(huán)氧樹脂，并將兩者混合后放入超聲波水浴中進(jìn)行加熱，溫度為50～60℃，同時進(jìn)行攪拌，攪拌速度為1200r/min～1400r/min，攪拌時間20min～30min；

步驟3，在步驟2制成的分散均勻的混合液中加入固化劑和促進(jìn)劑，玻璃纖維的用量與固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量滿足如下比例，玻璃纖維：固化劑：促進(jìn)劑＝30:70～80:1～1.5；

固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為DMP-30；

加入上述兩種物質(zhì)后，繼續(xù)攪拌20min～30min；

步驟4，將步驟3中攪拌均勻的混合液倒入提前預(yù)熱后且涂有脫模劑的不銹鋼模中，抽真空20min～30min，不銹鋼模預(yù)熱時的溫度為80～100℃；

步驟5，將不銹鋼模放入到真空干燥箱中進(jìn)行固化，按照一定時間梯度固化完全后，即制得等離子改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料。固化時間按照以下時間梯度進(jìn)行：

100℃/1h+110℃/1h+120℃/1h+140℃/2h+150℃/1h。

實(shí)施例1

制備一種等離子改性玻璃纖維，首先，將玻璃纖維放入含有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗0.5h，去除玻璃纖維表面污穢；玻璃纖維的長度為0.15mm，單絲直徑為11μm，并將清洗后的玻璃纖維放入烘箱中烘干至無水分；烘干溫度為120℃，烘干時間8h；

然后將玻璃纖維放入制備裝置的放電區(qū)域中，放電區(qū)域是地電極6和單邊阻擋介質(zhì)之間的區(qū)域，具體來說，玻璃纖維平鋪在地電極6上，開始處理，進(jìn)行處理時的參數(shù)為，工作環(huán)境為空氣；工作氣壓為大氣壓下；工作溫度為25℃；脈沖電源的頻率為11kHz；外加電壓峰值為20kV；高壓電極和地電極之間的放電功率為70W；處理時間：30s。

利用上述方法制備好的等離子改性玻璃纖維制備的玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其特征在于，利用等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合制備，其中玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30：100。

制備時，首先對環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度為80℃，加熱時間為5min；然后再按照玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30：110的比例稱取玻璃纖維以及經(jīng)步驟1預(yù)加熱后的環(huán)氧樹脂，并將兩者混合后放入超聲波水浴中進(jìn)行加熱，溫度為50℃，同時進(jìn)行攪拌，攪拌速度為1200r/min，攪拌時間20min；在上述分散均勻的混合液中加入固化劑和促進(jìn)劑，玻璃纖維的用量與固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量滿足如下比例，玻璃纖維：固化劑：促進(jìn)劑＝30:70:1；固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為DMP-30；加入上述兩種物質(zhì)后，繼續(xù)攪拌20min；

最后將攪拌均勻的混合液倒入提前預(yù)熱后且涂有脫模劑的不銹鋼模中，抽真空20min，不銹鋼模預(yù)熱時的溫度為80℃；將不銹鋼模放入到真空干燥箱中進(jìn)行固化，按照一定時間梯度固化完全后，即制得等離子改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，固化時間按照以下時間梯度進(jìn)行：100℃/1h+110℃/1h+120℃/1h+140℃/2h+150℃/1h。

實(shí)施例2

制備一種等離子改性玻璃纖維，首先，將玻璃纖維放入含有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗1h，去除玻璃纖維表面污穢；玻璃纖維的長度為0.15mm～0.2mm，單絲直徑為15μm，并將清洗后的玻璃纖維放入烘箱中烘干至無水分；烘干溫度為130℃，烘干時間10h；

然后將玻璃纖維放入制備裝置的放電區(qū)域中，放電區(qū)域是地電極6和單邊阻擋介質(zhì)之間的區(qū)域，具體來說，玻璃纖維平鋪在地電極6上，開始處理，進(jìn)行處理時的參數(shù)為，工作環(huán)境為空氣；工作氣壓為大氣壓下；工作溫度為25℃；脈沖電源的頻率為12kHz；外加電壓峰值為22kV；高壓電極和地電極之間的放電功率為71W；處理時間：540s。

利用上述方法制備好的等離子改性玻璃纖維制備的玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其特征在于，利用等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合制備，其中玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:110。

制備時，首先對環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度為80℃～100℃，加熱時間為5min～10min；然后再按照玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110的比例稱取玻璃纖維以及經(jīng)步驟1預(yù)加熱后的環(huán)氧樹脂，并將兩者混合后放入超聲波水浴中進(jìn)行加熱，溫度為50～60℃，同時進(jìn)行攪拌，攪拌速度為1200r/min～1400r/min，攪拌時間20min～30min；在上述分散均勻的混合液中加入固化劑和促進(jìn)劑，玻璃纖維的用量與固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量滿足如下比例，玻璃纖維：固化劑：促進(jìn)劑＝30:80:1.5；固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為DMP-30；加入上述兩種物質(zhì)后，繼續(xù)攪拌30min；

最后將攪拌均勻的混合液倒入提前預(yù)熱后且涂有脫模劑的不銹鋼模中，抽真空30min，不銹鋼模預(yù)熱時的溫度為100℃；將不銹鋼模放入到真空干燥箱中進(jìn)行固化，按照一定時間梯度固化完全后，即制得等離子改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，固化時間按照以下時間梯度進(jìn)行：100℃/1h+110℃/1h+120℃/1h+140℃/2h+150℃/1h。

實(shí)施例3

制備一種等離子改性玻璃纖維，首先，將玻璃纖維放入含有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗0.8h，去除玻璃纖維表面污穢；玻璃纖維的長度為0.18mm，單絲直徑為13μm，并將清洗后的玻璃纖維放入烘箱中烘干至無水分；烘干溫度為125℃，烘干時間9h；

然后將玻璃纖維放入制備裝置的放電區(qū)域中，放電區(qū)域是地電極6和單邊阻擋介質(zhì)之間的區(qū)域，具體來說，玻璃纖維平鋪在地電極6上，開始處理，進(jìn)行處理時的參數(shù)為，工作環(huán)境為空氣；工作氣壓為大氣壓下；工作溫度為25℃；脈沖電源的頻率為11.5kHz；外加電壓峰值為21kV；高壓電極和地電極之間的放電功率為70.5W；處理時間：360s。

利用上述方法制備好的等離子改性玻璃纖維制備的玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其特征在于，利用等離子改性玻璃纖維和環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合制備，其中玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:105。

制備時，首先對環(huán)氧樹脂進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度為80℃～100℃，加熱時間為8min；然后再按照玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為30:100～110的比例稱取玻璃纖維以及經(jīng)步驟1預(yù)加熱后的環(huán)氧樹脂，并將兩者混合后放入超聲波水浴中進(jìn)行加熱，溫度為55℃，同時進(jìn)行攪拌，攪拌速度為1300r/min，攪拌時間25min；在上述分散均勻的混合液中加入固化劑和促進(jìn)劑，玻璃纖維的用量與固化劑和促進(jìn)劑的質(zhì)量滿足如下比例，玻璃纖維：固化劑：促進(jìn)劑＝30:75:1.2；固化劑為甲基四氫苯酐，促進(jìn)劑為DMP-30；加入上述兩種物質(zhì)后，繼續(xù)攪拌25min；

最后將攪拌均勻的混合液倒入提前預(yù)熱后且涂有脫模劑的不銹鋼模中，抽真空25min，不銹鋼模預(yù)熱時的溫度為90℃；將不銹鋼模放入到真空干燥箱中進(jìn)行固化，按照一定時間梯度固化完全后，即制得等離子改性玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，固化時間按照以下時間梯度進(jìn)行：100℃/1h+110℃/1h+120℃/1h+140℃/2h+150℃/1h。

分別對未改性的玻璃纖維和采用本方法處理過的玻璃纖維進(jìn)行如下測試及性能分析：

1)掃描電子顯微鏡(SEM)

分別對未改性的玻璃纖維進(jìn)行SEM分析，如圖2；對采用本方法處理后的玻璃纖維表面同樣進(jìn)行SEM分析，如圖3。對比圖2和圖3可以看出，未經(jīng)處理的試樣表面較為平滑，幾乎沒有凹陷結(jié)構(gòu)；而經(jīng)等離子體處理后，可以看見試樣表面分布著明顯的刻蝕坑，導(dǎo)致缺陷增多，起到了增大比表面積的作用。分析認(rèn)為，放電過程中存在的高能粒子，不斷撞擊纖維表面導(dǎo)致分子斷鍵，從而產(chǎn)生自由基，相鄰的自由基發(fā)生鍵合作用，在纖維表面構(gòu)成交聯(lián)層，交聯(lián)反應(yīng)隨時間而加深，進(jìn)而粗糙程度逐漸加劇。這種刻蝕現(xiàn)象改變了玻璃纖維表面的微觀物理結(jié)構(gòu)，使其更容易與環(huán)氧樹脂形成相互咬合的界面，進(jìn)而增大了界面結(jié)合強(qiáng)度。

2)FTIR分析

對比幾組處理前后玻璃纖維表面，1000～4000cm^-1處有一些新的譜峰出現(xiàn)，2819cm^-1對應(yīng)為醛基C(O)-H基團(tuán)；2164cm^-1處可能由于N＝C＝O伸縮振動引起；1330cm^-1、1163cm^-1處分別為羧酸鹽COO-中C＝O和C-O-C的吸收峰，如圖4。

如圖4所示，分別為等離子體處理180s、360s和540s后玻璃纖維表面紅外光譜分析，材料表面出現(xiàn)C(O)-H、N＝C＝O、C＝O和C-O-C等新的官能團(tuán)。這是因?yàn)榉烹姇r產(chǎn)生的活性高能粒子可以向纖維表面?zhèn)鬟f能量，將部分含碳的化學(xué)鍵打開，與空氣中的O元素和N元素結(jié)合，引入C＝O和C-O-C等新的含氧基團(tuán)，但其他官能團(tuán)并沒有明顯的變化，故可以理解為等離子體處理可以在纖維表面引入含氧活性基團(tuán)，而并沒有使其他官能團(tuán)含量有較大的改變，因此可以認(rèn)為在不破壞其他結(jié)構(gòu)的情況下成功引入了有用官能團(tuán)。因?yàn)楹蠧＝O的羧基數(shù)量逐漸增大，含氧基團(tuán)的增加會對材料表面的極性有一定影響，因此，可以認(rèn)為玻璃纖維表面被氧化，導(dǎo)致極性增強(qiáng)。同時，纖維表面活性和自由能也得到提高。

綜上所述，采用本研究方法可以引入大量活性官能團(tuán)，對改善材料的潤濕性和粘結(jié)性起著明顯的作用。

3)XPS分析

分別對未改性的玻璃纖維及采用本方法改性后的玻璃纖維表面的C、O、N元素分別進(jìn)行了XPS分析，結(jié)果如圖5。

其中，285eV、400eV、532eV處分別對應(yīng)為C1s、N1s和O1s的光電子峰。對比圖4可知，處理前玻璃纖維有C、O和少量N元素；經(jīng)等離子體處理后，隨處理時間的延長，O1s譜峰值顯著提高，而C1s則出現(xiàn)降低的趨勢，N1s譜峰值也有少量提高。這是由于在大氣壓空氣環(huán)境下，這種放電處理能夠在纖維表面引入一些新的活性官能團(tuán)，使纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生改變。所以相應(yīng)化學(xué)鍵的斷裂和新的官能團(tuán)的生成，最終體現(xiàn)在XPS光譜中C、O、N元素含量的改變上。

通過對處理前后的C、O和N元素進(jìn)行全譜掃描分析，可得元素含量變化，結(jié)果見表1。

表1不同處理時間下玻璃纖維表面的元素含量變化

由表1可知，

對比未處理的玻璃纖維，改性后纖維表面整體的C元素含量減少，O和N元素的含量均有略微提升。隨著處理時間的增加，C元素的含量先大幅度的下降后有少量回升，而O和N元素則有先增大后減小的趨勢，O/C和N/C有略微提升。分析認(rèn)為，這是由于玻璃纖維表面部分含碳分子鍵斷裂，并與空氣中的氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)，引入O和N元素，進(jìn)而產(chǎn)生大量新的活性基團(tuán)，故C元素的含量減少，O和N元素含量增加。但等離子體的處理效果并不是隨時間的增加而增強(qiáng)，對于纖維表面的活性與極性來說，存在一個最合適的處理時間。等離子體處理一段時間后，纖維表面化學(xué)鍵之間的反應(yīng)達(dá)到平衡，若繼續(xù)處理，一些含O和含N元素的化學(xué)鍵又被打斷，破壞了原來生成的活性基團(tuán)，使C含量又有所提高。說明，選擇合適的低溫等離子體處理時間，才能對復(fù)合材料的性能提高具有一定優(yōu)勢。

查找對照電子結(jié)合能表，對各個樣品的C1s分峰擬合后各個C1s峰數(shù)據(jù)如表2。

表2不同時間處理下玻璃纖維表面含碳基團(tuán)含量變化

經(jīng)等離子體改性前后對C1s譜峰可擬合出四個特征峰，分別是：C-C(284.8eV)，C-O/C-N(286.3eV)，C＝O(287.7eV)，O-C＝O(289.0eV)。從表2中可見，對比處理前后，玻璃纖維表面C-C基團(tuán)減少，C-O/C-N、C＝O和O-C＝O基團(tuán)有所增加。由于高能粒子在撞擊玻璃纖維表面時，使C-C斷裂，進(jìn)而產(chǎn)生大量自由基，這些新產(chǎn)生的自由基相互反應(yīng)或與空氣中的氧氣和氮?dú)夥磻?yīng)，生成了大量C-O/C-N、C＝O和O-C＝O等含氧親水性極性基團(tuán)，很好地提高了玻璃纖維表面的活性程度，提高表面自由能，與前文所述紅外光譜結(jié)論相符。

隨著處理時間的延長，C-C含量先減小后增大，而C-O/C-N、C＝O和O-C＝O反之。這是由于等離子體處理會使含有O和N兩種粒子的基團(tuán)一直處于不斷被破壞和形成的平衡中，所以最終新生成的含O和含N基團(tuán)與被破壞的原有基團(tuán)含量基本相當(dāng)。分析可知，當(dāng)表面改性處理處于一個合理的時間下,就可以最大程度提高纖維表面活性基團(tuán)的含量，而這些活性基團(tuán)與樹脂之間可以形成有效的鍵合作用，大大增強(qiáng)了界面結(jié)合能力。

4)對制備出的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行如下性能測試，按照GB/T2567-2008測試樣條的拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)參數(shù)，采用的設(shè)備為WE-100萬能材料試驗(yàn)機(jī)、JB-30沖擊試驗(yàn)機(jī)，并對制備出的復(fù)合材料的力學(xué)性能分析：

采用低溫等離子體對玻璃纖維進(jìn)行不同時間處理后，將其和環(huán)氧樹脂混合，制備成力學(xué)性能測試樣條。通過測試樣條的力學(xué)性能確定效果最佳的等離子體處理時間。本文按照添加30％玻璃纖維制備復(fù)合材料。圖6、7給出了不同處理時間對復(fù)合環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能的相對關(guān)系。

從圖6、7可知，隨處理時間的不斷增加，拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的變化。其中加入等離子體處理時間為180s玻璃纖維的環(huán)氧樹脂的綜合力學(xué)性能較好，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為93.8MPa、136.97MPa、15.32kJ/m²，與未處理的復(fù)合材料相比，分別提高了27.62％、34.53％和12.1％。隨后，各項(xiàng)性能又隨時間的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。由此表明，玻璃纖維表面經(jīng)等離子體改性，有助于提高復(fù)合環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能。這是因?yàn)橐环矫娴入x子體處理對玻璃纖維表面產(chǎn)生了交聯(lián)層，進(jìn)而發(fā)生物理刻蝕作用，使其粗糙程度有了大幅度的改變；另一方面極性基團(tuán)的不斷增加提高了表面的自由能，對改善玻璃纖維和環(huán)氧樹脂之間的結(jié)合效果有明顯作用。但在放電改性的過程中，處理效果的改善存在合適的時間。由前文XPS實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，過長的處理時間可能破壞玻璃纖維表面新生成的活性基團(tuán)，導(dǎo)致極性下降，反而將會削弱纖維和樹脂之間的結(jié)合力。

本發(fā)明方法中通過對比分析等離子體處理前后，玻璃纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成成分，以及制備成復(fù)合環(huán)氧樹脂后的力學(xué)性能，結(jié)果表明：

1)在空氣中進(jìn)行等離子體處理，玻璃纖維表面會形成交聯(lián)層，交聯(lián)反應(yīng)對時間而加深，導(dǎo)致纖維表面產(chǎn)生明顯的刻蝕痕跡，改變了表面原本平滑的微觀物理結(jié)構(gòu)，使其更容易與環(huán)氧樹脂形成相互咬合的界面，進(jìn)而增大了界面結(jié)合強(qiáng)度。

2)等離子體改性玻璃纖維表面時會使其生成C＝O和C-O-C等新的含氧極性基團(tuán)，可以提高材料表面自由能，其潤濕性和粘結(jié)性也得到改善。

3)由數(shù)據(jù)可知，改性效果與處理時間密切相關(guān)，其中時間為180s時處理效果較好。改性后的玻璃纖維摻加量為30％時，復(fù)合環(huán)氧樹脂的拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度各提高了27.62％、34.53％和12.1％。

等離子體改性是目前發(fā)展較快的一種新型材料表面改性方式，它具有作用時間短、效率高；不產(chǎn)生污染和方便操作等幾個方面的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)低溫等離子體處理后，玻璃纖維可以良好地分散到環(huán)氧樹脂中；在纖維表面產(chǎn)生刻蝕效應(yīng)，粗糙度增加；同時，在其表面引入大量含氧活性基團(tuán)，提高表面自由能，從而增強(qiáng)玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體的界面結(jié)合力，復(fù)合環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能也相應(yīng)地得到提高。分別采用掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀和x射線光電子儀對經(jīng)低溫等離子體處理前后的玻璃纖維表面形貌和化學(xué)成分進(jìn)行對比分析，再用其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，測試復(fù)合環(huán)氧樹脂的拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，等離子體改性處理對提高復(fù)合材料性能方面就較大優(yōu)勢。本發(fā)明只需將提前清潔并烘干好的玻璃纖維放置于常壓下介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中，且短時間的放電過程即可使纖維表面有較好的處理效果，整個過程操作簡單，便于實(shí)現(xiàn)。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同等離子體的處理時間對纖維的改性效果不同，因此選擇合適的處理時間可以大大提高復(fù)合材料的性能，為改善玻璃纖維在復(fù)合樹脂材料中的應(yīng)用特性提供新的技術(shù)手段。