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要想充分發(fā)揮芳綸的力學(xué)性能,就要進(jìn)行表面改性處理

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要想充分發(fā)揮芳綸的力學(xué)性能,就要進(jìn)行表面改性處理

發(fā)布日期:2018-10-22 作者: 點(diǎn)擊:

   芳綸纖維是由美國(guó)杜邦公司先研制的一種由剛性分子鏈形成的高結(jié)晶度、高取向度材料,具有相對(duì)密 度小、耐疲勞、耐剪切等一系列優(yōu)異性能,在橡膠工業(yè)等領(lǐng)域廣泛用于芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料的性能與基體相、增強(qiáng)相及兩相界面結(jié)合狀況均有關(guān),良好的界面結(jié)合可使復(fù)合材料更好地發(fā)揮力學(xué)性能。芳綸具有剛性分子結(jié)構(gòu),分子對(duì)稱性高,橫向分子間作用力弱,分子間氫鍵弱,橫向強(qiáng)度低使得在壓縮及剪切 力作用下容易產(chǎn)生斷裂;由于具有較高的結(jié)晶度,使得纖維表面光滑、無(wú)反應(yīng)活性,導(dǎo)致其與大多數(shù)基體之 間的界面粘附性很差,因此,要改善芳綸纖維與復(fù)合材料的界面結(jié)合情況,充分發(fā)揮芳綸優(yōu)異的力學(xué)性能,就要對(duì)芳綸表面進(jìn)行改性處理。

芳綸共縮聚改性

芳綸短纖維的表面改性方法:

  芳綸的表面改性可以通過(guò)等離子體、超聲波等物理技術(shù)或硝化/還原、氯磺化等化學(xué)方法,在纖維表面 引入羥基、羰基等極性或活性基團(tuán),與基體間形成反應(yīng)性共價(jià)鍵結(jié)合,從而提高纖維與基體間的粘合強(qiáng)度。

1.共縮聚改性

  通過(guò)在芳綸分子鏈中引入具有不同結(jié)構(gòu)的第三單體,在基本保持原有優(yōu)良性能的前提下,改善芳綸纖維 的溶解性、耐疲勞性等性能。

  Bernhard等采用取代對(duì)苯二胺和二氯對(duì)苯二酰共縮聚反應(yīng),制備不同的剛性棒狀芳香族聚酰胺,其主要 晶體結(jié)構(gòu)與對(duì)位芳綸類似,不同的是,在熱處理中不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化,苯環(huán)取代的空間位阻和電子效應(yīng)導(dǎo)致 纖維固態(tài)結(jié)構(gòu)不同。

  2.利用化學(xué)反應(yīng),在纖維表面引入活性基團(tuán),使纖維與基體復(fù)合時(shí)產(chǎn)生化學(xué)作用,形成更多的化學(xué)鍵,增加材料界面相容性。主要采用偶聯(lián)劑改性、表面刻蝕和表面接枝等方法。

  (1)偶聯(lián)劑改性:偶聯(lián)劑在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有雙官能團(tuán),在復(fù)合材料中起“橋梁作用”,一端與纖維表 面反應(yīng),另一端與基體反應(yīng),從而增加界面的相容性。陳曄等采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)芳綸進(jìn)行表面處理,使纖維 與橡膠基體間形成偶聯(lián)劑橋聯(lián)和纏結(jié),獲得較好的界面過(guò)渡區(qū),改善了界面結(jié)構(gòu),消除了應(yīng)力突變,使復(fù)合 材料的橫向抗拉強(qiáng)度明顯提高,耐高溫性有所增加。

 ?。?)表面刻蝕法:刻蝕改性技術(shù)是通過(guò)化學(xué)或物理的技術(shù)處理芳綸,使其表面層的形貌、結(jié)構(gòu)、極性 產(chǎn)生變化,有利于復(fù)合材料基體樹(shù)脂的浸潤(rùn)和粘合,從而提高界面的粘合強(qiáng)度。

  人們常用酰氯類(甲基丙烯酰氯等)、酸堿類(乙酸酐等)等化學(xué)刻蝕劑來(lái)處理芳綸/環(huán)氧等復(fù)合材料。這 樣既可以侵蝕芳綸的表面結(jié)構(gòu),形成粗糙表面,增加了基體樹(shù)脂對(duì)芳綸表面的粘合力;也可以通過(guò)水解反應(yīng) 在芳綸表面形成極性基團(tuán)如-COOH、-OH等,促使纖維與基體間能形成共價(jià)鍵,提高了樹(shù)脂基體對(duì)芳綸表面的 潤(rùn)濕性。

  Penn等采用硝酸或硝酸銨對(duì)Kevlar-29進(jìn)行硝化處理在苯環(huán)上引入硝基,再將硝基還原成胺基。改性后 的表面形貌和表面能并未發(fā)生變化,但硝化后Kevlar-29/環(huán)氧復(fù)合材料的界面抗剪切強(qiáng)度則有了很大的提高 。

 ?。?)表面接枝法:苯環(huán)上的接枝反應(yīng)主要有兩種:一種是硝化還原反應(yīng)引入氨基,另一種則是利用氯 磺化反應(yīng)引入氯磺酸基團(tuán),以便進(jìn)一步引入活性基團(tuán)。采用氯磺酸處理Kevlar,即先在纖維表面引入氯磺基 ,再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為引入羥基、羧基、胺基等活性基團(tuán)。

  袁海根等先用二氯乙烷、無(wú)水乙醇等清洗Kevlar29,然后再用二甲基亞硫酰鈉(SMSC)的二甲基亞砜 (DMS0)溶液處理,最后再把已NaA+化的纖維分別放入氯丙烯和環(huán)氧氯丙烷中反應(yīng)10min即可。這樣就在 Kevlar29纖維表面接枝上

  CH2=CH-R-基團(tuán)結(jié)構(gòu),表層部分分子上的二級(jí)酰胺上氫原子已被烯丙基所取代。實(shí)驗(yàn)測(cè)得其拔出力和界 面剪切強(qiáng)度有所提高,且界面剪切強(qiáng)度提高明顯。

  通過(guò)濺射作用,使纖維表面變得更為粗糙,纖維的接觸面積增大,從而增加纖維與聚合物基體間的摩擦 力,提高界面間粘附性。

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