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PBI纖維是聚苯并咪唑纖維(英文名稱為Polybenzimidazolefibers)的簡稱,是一種綜合性能優異的有機纖維,因其阻燃性、熱穩定性、浸潤性、耐強酸強堿等化學試劑、良好的紡織加工性能以及穿著舒適性等,使其在耐高溫過濾網、阻燃防護服、飛行器內飾物、宇航服和防火填充物及其他耐高溫、化學腐蝕方面有著非常重要的應用,被譽為“阻燃之王”,其應用的領域十分廣泛,涵蓋航空航天、軍工國防、消防保護、交通通訊、環保凈化等領域。

由于PBI聚合物主鏈上缺少側基團,分子剛性大,且分子間鍵氫鍵作用強,導致使PBI溶解性和聚合物抗壓縮性差,與其他材質復合粘結要求高,紡絲成形加工難等缺陷,在一定程度上限制其應用范圍。PBI纖維做成消防服時,需要和其他面料(隔離層和透氣阻濕層)或者膜材料復合粘結成多層,而PBI織物層復合粘結時條件要求高,提高成本;PBI中空纖維膜制作到成品的成本和質量的層次。因此,改善PBI纖維的粘著性(降低與其他材質復合條件)是研究纖維表面性能的重點,改善纖維的粘著性可以提高纖維與基體(管件)間界面結合力和纖維與粘結劑的粘結牢度,降低纖維與其他材質的粘結時的條件,節約成本。

等離子體改性技術被譽為21世紀世界環境四大關鍵技術之一,是一種干法處理技術,環保、快捷,可以在不損傷纖維本體性能的同時有效改善纖維的表面性能,常用來改善纖維的浸潤性、染色性、粘著性、表面物理或化學性能,以及對其表面進行清潔或消毒,是一種常用的表面改性技術。

PBI纖維低溫等離子體改性處理機理

等離子體作為物質的第四態,指部分或者完全電離的氣體,并且自由電子和離子所帶正、負電荷總和完全抵消。低溫等離子體是指在直流電弧放電、輝光放電、微波放電、電暈放電、射頻放電等條件下所產生的部分電離氣體。在紡織行業工業應用最多是輝光放電和電暈放電,二者的放電介質、電子能量的高低和活性因子滲透被處理的纖維材料的能力都不同。輝光放電的電子能量高,對被處理的紡織材料的表面改性更強烈。低溫等離子體中各種活性因子與材料表面是一個能量直接轉移的過程,其作用深度僅為幾個單分子層(100nm以內),不會損傷材料本體的機械強度,等離子體對化纖作用的主要特征或機制可概括為以下模型。如圖所示：

圖1 等離子體對纖維材料的作用

低溫等離子體對PBI纖維表面處理主要產生三種作用:(1)刻蝕。低溫等離子體中活性粒子的轟擊,使等離子體與纖維表面發生反應,產生揮發性氣體除去,光滑的纖維表面出現溝槽、裂紋或者凸起類的,增大比表面積,提高摩擦因數;(2)表面活化。低溫等離子體氣體與纖維表面官能團發生反應,含氧基團增多如羧基、羥基、醛基等基團,使纖維表面成分發生顯著變化,提高了表面能,使纖維表面性能發生改變;(3)表面沉積。氣體在等離子體狀態下相互反應并形成新的物質,然后又沉積到纖維的表面,即為固體表面的氣相沉積。

綜上所述：低溫等離子體對PBI纖維表面處理主要有表面刻蝕、活化和沉積等作用。刻蝕的作用使纖維光滑的表面出現溝槽、裂紋或者凸起類的,增大比表面積,提高摩擦因數及其與粘合劑或者其他材料的接觸面積。表面活化可以使纖維表面含氧基團增多如羧基、羥基、醛基等基團,使纖維表面成分發生顯著變化,提高了表面能,提高了潤濕性速率,有利于提高粘著性。