芳綸復(fù)合材料被譽(yù)為全球材料皇冠上的鉆石，位列三大高性能材料之一。其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)、主導(dǎo)型工業(yè)項(xiàng)目(如大型飛機(jī)、高速列車(chē)、造船、電力、電子信息、建材等)具有至關(guān)重要的影響。在軍工領(lǐng)域、芳綸復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、潛艇、坦克、導(dǎo)彈、雷達(dá)的高性能結(jié)構(gòu)件和特種電子設(shè)備。在民用領(lǐng)域，主要用于航天、航空、高速列車(chē)及汽車(chē)的高性能結(jié)構(gòu)件、軌道交通、核電、水電和電網(wǎng)工程中大型電機(jī)、變壓器高端絕緣材料，建筑用高性能隔熱阻燃材料，高端電路板和印刷、醫(yī)用材料等。

由于芳綸纖維表面官能團(tuán)少，與基體粘合差，因此在制備芳綸增強(qiáng)型復(fù)合材料時(shí)一般需要對(duì)芳綸纖維進(jìn)行表面處理，來(lái)增加芳綸纖維界面極性，改善芳綸纖維濕潤(rùn)性。在材料設(shè)計(jì)和性能評(píng)估中，首先應(yīng)對(duì)樹(shù)脂與纖維間浸潤(rùn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),進(jìn)而提高樹(shù)脂與纖維的相容性。

芳綸纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的浸潤(rùn)性一般通過(guò)芳綸纖維的表面接觸角來(lái)表征。目前常用的測(cè)量芳綸纖維接觸角的方法為動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量法。但這種方法要求在測(cè)試中，纖維與液面始終保持90°角，垂直地刺破液面。因此僅適用于玻璃纖維、碳纖維等剛性纖維。而芳綸纖維質(zhì)地較軟，較難刺破液體表面，很難與液面保持垂直，致使測(cè)量誤差較大，結(jié)果并不準(zhǔn)確。

另一種纖維接觸角的測(cè)量法是用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x直接觀察液滴包裹纖維或停留在纖維表面的圖像，在圖像中讀取靜態(tài)接觸角。但這種方法需要將皮升級(jí)的液滴噴射在直徑為微米級(jí)的纖維表面，設(shè)備成本高，操作難度較大。且由于液滴的重力作用和纖維的吸濕性，液滴難以在纖維上保持固定形態(tài)，測(cè)量結(jié)果有一定誤差。

測(cè)量原理

在垂直條件下，液體在毛細(xì)管中上升的驅(qū)動(dòng)力為液體表面張力引起的附加壓力，此外還收到黏滯阻力和液柱重力的影響，阻止液體滲透。Washburn方程在推導(dǎo)過(guò)程中，根據(jù)Poiseuille公式處理了黏度影響以后，得到如下關(guān)系式：

式中：l為液體在毛細(xì)管中移動(dòng)的距離；r為毛細(xì)管半徑；t為移動(dòng)時(shí)間；∑p為液體移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)壓力及附加壓力與重力之差；η為液體的黏度；ε為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

由于芳綸纖維直徑只有幾十微米，毛細(xì)管半徑r很小，毛細(xì)附加壓力遠(yuǎn)大于液柱的重力，所以可以忽略重力的作用，液體流動(dòng)，認(rèn)為摩擦系數(shù)ε＝0。代入附加壓力的Young-Laplace方程并積分，得到Washburn方程式：

式中：h為液體上升高度；C為常數(shù)；r為毛細(xì)管半徑；σ為液體表面張力；η為液體的黏度；θ為固體對(duì)液體的表面接觸角；t為移動(dòng)時(shí)間。

當(dāng)芳綸纖維均勻地填入樣品柱，取向相同，全部近似平行于測(cè)試管管壁時(shí)，得到一個(gè)可以看作由一束平行毛細(xì)管組成的樣品柱，與Washburn動(dòng)態(tài)壓力法中假設(shè)的前提條件相同，因此Washburn動(dòng)態(tài)壓力法適用于這種裝填條件下芳綸纖維接觸角的測(cè)量。

從而能夠有效地測(cè)試芳綸纖維接觸角，并給出了技術(shù)原理。試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、測(cè)量效果較佳。本方法能夠極大地提高對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料浸潤(rùn)性的評(píng)價(jià)能力。解決了現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)操作困難、重復(fù)性差、測(cè)量誤差大的問(wèn)題。

可選地，獲取兩組質(zhì)量相同，高度及堆積密度相同的芳綸短絲樣品柱之前，包括：

將芳綸纖維測(cè)試樣品統(tǒng)一裁剪成約為測(cè)試管長(zhǎng)度2/3的芳綸短絲樣品；

將所述芳綸短絲樣品、所述測(cè)試管及加工好的封口材料置于烘箱中，在105℃～110℃干燥2h后置于干燥器中冷卻保存。

可選地，獲取兩組質(zhì)量相同，高度及堆積密度相同的芳綸短絲樣品柱，包括：

將兩組預(yù)定重量的芳綸短絲樣品密實(shí)地裝入下端用濾紙封閉的測(cè)試管內(nèi)，使所述芳綸短絲樣品取向相同，且平行于所述測(cè)試管管壁，敲擊管壁，振蕩預(yù)定時(shí)間，使芳綸短絲樣品壓實(shí)，記錄高度位置，稱(chēng)重，計(jì)算堆積密度。

從而能夠有效地測(cè)試芳綸纖維接觸角，并給出了技術(shù)原理。試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、測(cè)量效果較佳。本方法能夠極大地提高對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料浸潤(rùn)性的評(píng)價(jià)能力。解決了現(xiàn)有技術(shù)中試驗(yàn)操作困難、重復(fù)性差、測(cè)量誤差大的問(wèn)題。

測(cè)量步驟

步驟一：將芳綸纖維測(cè)試樣品統(tǒng)一裁剪成約為樣品管長(zhǎng)度2/3的短絲。

步驟二：將測(cè)試樣品、樣品管及加工好的封口材料置于烘箱中，在105℃～110℃干燥2h后置于干燥器中冷卻保存。

步驟三：將1～2g測(cè)試樣品密實(shí)地裝入下端用濾紙封閉的測(cè)試管內(nèi)，盡量使所有芳綸短絲取向相同，且平行于測(cè)試管管壁。敲擊管壁，振蕩3min，使樣品盡量壓實(shí)，記錄高度位置，稱(chēng)重，計(jì)算堆積密度。

步驟四：稱(chēng)取相同質(zhì)量的芳綸短絲樣品，用同樣的方法填充一組高度及堆積密度相同的樣品柱。

步驟五：采用正己烷作為完全潤(rùn)濕體，將裝有一組樣品柱的測(cè)量管垂直掛在表面張力儀的天平掛鉤上，使下端與正己烷液面距離約2mm，設(shè)定吸附時(shí)間200s，運(yùn)行表面張力儀的washburn程序，進(jìn)行不少于三次的平行樣重復(fù)測(cè)量，計(jì)算樣品柱的參數(shù)β值。

步驟六：將表面張力儀中的液體更換為待測(cè)液體，將另一組樣品柱的測(cè)量管垂直掛在表面張力儀的天平掛鉤上，使下端與待測(cè)液面距離約2mm，設(shè)定吸附時(shí)間200s，運(yùn)行表面張力儀的washburn程序，進(jìn)行不少于三次的平行樣重復(fù)測(cè)量，根據(jù)已測(cè)得的參數(shù)β值，計(jì)算芳綸纖維與待測(cè)液體的接觸角θ。

實(shí)施效果

取兩組樣品做對(duì)照試驗(yàn)。其中對(duì)照組樣品為Kevlar 49芳綸纖維，試驗(yàn)組樣品為經(jīng)過(guò)等離子體表面處理后的同型號(hào)Kevlar纖維。等離子體放電方法為常壓空氣等離子體DBD放電，等離子體功率為0.7kW，處理時(shí)間為24s。

測(cè)量方法為上述的步驟一至步驟六。測(cè)試儀器為Sigma 701表面張力儀。完全潤(rùn)濕體為正己烷，待測(cè)液體為水。

測(cè)量結(jié)果如下表所示，測(cè)量結(jié)果為三次平行樣的平均值。可見(jiàn)經(jīng)等離子體表面處理后，芳綸纖維與水的表面接觸角降低16°，潤(rùn)濕性提高。