摘 要：针对苎麻纤维亲水性与聚己内酯疏水性之间的界面相容性差的问题，文章采用乙醇预处理结合氦气低温常压射流等离子体对苎麻纤维进行表面改性，探究了等离子体处理时间（20s、40s、60s、80s）对纤维表面形貌、化学组成、动态接触角、单纤维拉伸强度及苎麻/聚己内酯界面剪切强度的影响。研究表明，等离子体刻蚀使纤维表面粗糙度随着处理时间的延长而增大；纤维表面O/C比从未处理组的0.49降至60s组的0.32，C-C键含量从40.1%增至69.4%；动态接触角由54.5°增至90.8°,增幅约66.61%；界面剪切强度从7.78MPa增至10.13MPa，增幅约30.21%，而单纤维拉伸强度无显著变化。综合各项指标，确定最佳处理时间为60s。
关键词：常压射流；苎麻纤维；聚己内酯；界面改性
随着全球石油资源日益紧缺及白色污染问题加剧，源于可再生资源的可生物降解高分子复合材料的开发已成为材料科学领域的重要研究方向[1]。聚己内酯作为一种半结晶型脂肪族聚酯，具有优异的生物降解性、良好的熔融加工性能和生物相容性，在包装材料、生物医用及一次性用品领域展现出广阔的应用前景[2]。然而，聚己内酯的拉伸强度相对较低，作为结构材料使用时承载能力不足。同时，其生产成本高于聚乙烯、聚丙烯等通用塑料，在一定程度上限制了其大规模工程化应用。因此，将价廉质轻、比强度高的天然植物纤维作为增强体与聚己内酯复合，普遍认为是提升复合材料力学性能并降低成本的有效途径。
苎麻纤维是我国特色优质天然纤维，具有优异的比强度和比模量，其抗拉强度为400~1000MPa，是理想的复合增强材料[3]。但苎麻纤维的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其表面含有大量极性羟基基团，呈现出强烈的亲水性；聚己内酯分子链中非极性亚甲基链段占主导地位，其表面以非极性为主导。这一“亲水-疏水”界面极性矛盾导致纤维与树脂基体间相容性差。当复合材料受力时，界面层难以有效传递应力，纤维易从基体中拔出，致使复合材料力学性能远低于理论预测值。因此，如何对苎麻纤维表面进行改性，改善纤维与聚己内酯间的界面结合性能，是该类复合材料性能提升的关键科学问题。
目前，传统的化学处理虽能去除纤维表面蜡质和部分半纤维素，增加表面粗糙度，但过度处理会损伤纤维素结晶区，导致纤维自身强度下降[4]，且处理过程中产生的废液易造成环境问题。相比之下，低温等离子体技术作为一种干式、高效、环保的表面改性手段，其仅作用于材料表面纳米级深度，能在不牺牲纤维本体力学性能的前提下实现表面物理化学性质的精确调控，近年来受到广泛关注[5]。
本研究采用乙醇预处理结合氦气低温常压射流等离子体对苎麻纤维进行表面改性，改性时间分别为20s、40s、60s、80s，系统探究等离子体处理时间对纤维表面化学成分、表面形貌、动态接触角、单纤维强度及复合材料界面剪切强度的影响规律。研究结果不仅为苎麻/聚己内酯复合材料的界面改性提供了理论依据，更期望为等离子体改性技术在“疏水性聚合物/亲水性天然纤维”体系中的改性机理解析提供新的参考视角。
1 实验部分
1.1 实验材料
苎麻纤维（单纤维直径分布范围为15~40μm，湖南华升株洲雪松有限公司）；聚己内酯颗粒（型号6500，瑞典Perstorp公司）；无水乙醇（纯度≥99.7%，国药集团化学试剂有限公司）；氦气（纯度≥99.99%）。
1.2 苎麻纤维的等离子体表面改性
将苎麻纤维置于低温常压射流等离子体处理区域进行表面改性（处理气体为氦气，气体流速为2L/min，处理距离为2cm）。纤维预先使用丙酮、去离子水先后清洗，真空烘干后以无水乙醇浸泡10min，再单根排列于样品台，在200W功率下分别处理20s、40s、60s、80s。所有处理后的样品均密封保存。
1.3 苎麻/聚己内酯微复合材料的制备
取聚己内酯薄膜条，中段剪开呈倒“V”形，搭在水平悬置的苎麻纤维上，于80℃烘箱中保温30s，使膜熔融收圆，形成包覆纤维的球形微滴。以偏光显微镜（LV100P，Nikon）测量纤维半径（r）、包埋长度（L）及微滴半径（R）。
1.4 表征与测试
1.4.1 表面形貌观察
采用扫描电镜（JSM-5600LV，日本）观察等离子体处理前后苎麻纤维的表面形貌。样品测试前经真空喷金处理以增强导电性，观察放大倍率设定为5000倍。
1.4.2 表面化学组成分析
采用X射线光电子能谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）分析纤维表面的元素组成。激发源为Al Kα射线（1486.6eV），测试时分析室压力保持在10-7~10-8Pa，X射线掠射角为45°。首先，采集全谱确定C、O、N的相对含量；其次，对C1s进行高分辨窄谱扫描，所得谱图通过高斯-洛伦兹函数拟合。
1.4.3 纤维动态接触角测试
苎麻纤维的动态接触角（前进角）采用动态接触角测试仪（DCAT11，DataPhySics，德国）进行测定。考虑到单根纤维质量极小导致天平响应信号偏弱，将5根纤维平行排布并夹持后同时浸入液面，以增强质量变化的可测性。在测试过程中，承载去离子水的样品台以0.01mm/s的速度匀速上升至与纤维下端接触，并继续上升使纤维浸没深度达3mm，从而保障纤维在整个浸润段始终保持竖直姿态。每个实验组至少测试5组纤维，取算术平均值。
1.4.4 单纤维拉伸强度
采用XQ-2型纤维强力仪（上海新纤仪器有限公司）
测定单根苎麻纤维的拉伸性能。测试前以偏光显微镜（LV100P，Nikon）测量纤维直径。拉伸隔距设定为20mm，拉伸速率设定为20mm/min。每组有效试样不少于40根，结果取平均值。
1.4.5 界面剪切强度测试
界面剪切强度(τi）采用修正的剪切滞后模型计算，如式（1）所示：
式中：τi为界面剪切强度，MPa；Pmax为最大拔出力，N；L为纤维包埋长度，mm；r为纤维半径，mm；A为纤维横截面积，mm2；n为剪切滞后模型的系数，由式（2）计算。
式中：Em是聚己内酯的杨氏模量；vm是聚己内酯的泊松比；Ef是苎麻纤维的拉伸模量；R是微滴半径。
2 结果与讨论
2.1 等离子体处理对苎麻纤维表面形貌的影响
等离子体处理前后苎麻纤维表面形貌如图1所示。未处理组[图1（a）]表面较为平整，仅存在少量天然纵向纹理，此为苎麻纤维的典型微观表面形貌特征。经20s等离子体处理后[图1（b）]，纤维表面开始出现轻度刻蚀痕迹；处理时间延长至40s[图1（c）]，表面粗糙度进一步增加；60s组[图1（d）]纤维表面呈现出密集的凹槽结构，这归因于等离子体中高能粒子对纤维表面的物理轰击与溅射作用，纤维表层的非纤维素组分优先被剥离，形成凹凸不平的粗糙结构。然而，当处理时间增至80s[图1（e）]时，纤维表面局部区域出现较深的刻蚀痕迹。
图1 等离子体处理前后苎麻纤维表面形貌
2.2 等离子体处理对苎麻纤维表面化学组成的影响
表1列出了各组苎麻纤维表面化学元素含量及O/C原子比。由表1可见，未经处理的苎麻纤维表面O/C比为0.49，这与纤维素分子富含羟基（-OH）的化学结构相符。经等离子体处理后，纤维表面O/C比随着处理时间的延长呈下降趋势：20s组降至0.44，40s组降至0.36，60s组降至0.32，而80s组回升至0.40。
表1 等离子体处理前后苎麻纤维表面化学元素分析
为进一步揭示表面化学结构的变化，对C1s谱峰进行了高斯-洛伦兹分峰拟合，分为4个组分峰：C-C（285.0eV）、C-O（286.5eV）、C=O（288.1eV）和O-C=O（289.4eV），分峰结果如表2所示。未处理组的苎麻纤维表面C-O键占比最高（46.8%），主要归因于纤维素分子含有大量的羟基。经60s等离子体处理后，C-C键含量从40.1%大幅上升至69.4%，而C-O键含量从46.8%骤降至20.5%，C=O和O-C=O键含量也显著降低。这是因为等离子体中的高能活性粒子优先打断乙醇分子中键能最低的C-O键，生成乙基接枝于纤维素表面，形成以C-C键为主的疏水层。
表2 等离子体处理前后苎麻纤维表面C1s分峰含量变化
2.3 等离子体处理对苎麻纤维动态接触角的影响
等离子体处理前后苎麻纤维动态接触角变化如表3所示。由表3可见，未经处理的苎麻纤维动态接触角（前进角）为54.5°,呈亲水性。经等离子体处理后，接触角随着处理时间的延长先增大后减小：20s组为68.4°,40s组为82.1°,60s组达到90.8°（较未处理组提升约66.61%），80s组回落至75.3°。
表3 等离子体处理前后苎麻纤维动态接触角变化
接触角的显著增大可以从物理和化学两个层面解释。在化学层面，X射线光电子能谱分析结果已证明等离子体处理导致纤维表面O/C比从0.49降至0.32，C-C键含量大幅提高。纤维表面极性降低，表面能下降，与极性水分子之间的相互作用减弱，表现为接触角增大。在物理层面，等离子体刻蚀使纤维表面粗糙度增加。根据Wenzel方程，对于原本亲水的表面，粗糙度增加会使其表观接触角进一步减小，这与实验观察到的接触角增大相矛盾。这表明化学结构对接触角的贡献远大于物理粗糙度的贡献，前者主导了润湿性的转变方向。此外，80s组动态接触角回落至75.3°,这与该处理条件下纤维表面出现过度刻蚀有关，其破坏了已形成的C-C键，暴露了纤维素层，导致动态接触角减小。
2.4 等离子体处理对单纤维拉伸强度的影响
等离子体处理前后苎麻单纤维拉伸强度变化如表4所示。结果显示，未经处理的苎麻单纤维拉伸强度为935MPa。经等离子体处理后，各处理组的拉伸强度略有下降，但下降幅度均无统计学显著性差异（P>0.05）。这表明氦气低温常压射流等离子体处理是一种温和的表面改性技术，能在有效改变纤维表面物理化学性质的同时保持纤维本体的力学强度。
表4 等离子体处理前后苎麻单纤维拉伸强度变化
2.5 等离子体处理对苎麻/聚己内酯界面剪切强度的影响
等离子体处理前后苎麻/聚己内酯界面剪切强度变化如表5所示。由表5可见，未经处理的苎麻/聚己内酯界面剪切强度为7.78MPa。经等离子体处理后，界面剪切强度随着处理时间的延长呈先升后降趋势：20s组为8.52MPa（约提升9.51%），40s组为9.38MPa（约提升20.57%），60s组达到10.13MPa（约提升30.21%），80s组回落至8.91MPa（约提升14.52%）。
表5 等离子体处理前后苎麻/聚己内酯界面剪切强度变化
界面剪切强度的提升可以从以下层面进行机理分析。
（1）化学相容性改善（主导机制）。聚己内酯分子链富含非极性亚甲基（-CH2-），表面能较低。等离子体处理导致苎麻纤维表面O/C比从0.49降至0.32，C-C非极性键含量从40.1%增至69.4%，使纤维表面化学特性从“强极性亲水”向“弱极性疏水”转变，使聚己内酯熔体在纤维表面的铺展性和浸润性得到大幅改善，为有效的应力类，拓展产品的应用领域。同时，赋予产品符合当代审美的设计语言，推进土布产品从“土气”到“新潮”的转型升级，让传统工艺在当代市场重获新生[6]。
4 结语
魏县土纺土织技艺作为国家级非遗，不仅是魏县文化身份的重要标识，还是维系文化多样性的重要载体。面对传承主体断层、档案管理散乱、市场转化乏力等现实困境，通过构建智能化传承培训体系、打造分布式数字档案系统、推进IP化产品创新等路径，让这一传统技艺被更多人看得见、学得会、用得上，并在数字化时代焕发新的生机。
参考文献
[1]周博.土纺土织传统手工技艺回溯及困境剖析-以河北魏县为例[J].南宁职业技术学院学报，2013（4）：24-27.
[2]刘娟，王宏付.魏县土纺土织手工织造技艺研究[J].艺术百家，2011（增刊1）：40-42.
[3]段佳兰，王思凡，陈雨萱，等.从“守艺”到“兴业”-民族手工艺活态传承赋能乡村振兴的实践路径[J].东方收藏，2025（12）：115-117.
[4]刘秋芝，张明琪.甘肃黄河流域非物质文化遗产活态传承与创新实践路径研究[J].丝绸之路，2026（1）：126-133.
[5]刘畅，李静.河北魏县土布的开发与创新设计研究[J].化纤与纺织技术，2022（3）：216-218.
[6]芦洁.非物质文化遗产数字化保护与活态传承策略研究[J].人像摄影，2025（7）：222-223.
文章摘自：李莺.氦气低温常压射流等离子体处理对苎麻/聚己内酯复合材料的界面改性机理研究[J].纺织报告,2026,45(8):1-4+133.
