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              芳綸纖維的結構特點及表面改性方法
              發布時間:2023-10-13
              分享:

              芳綸:芳香族聚酰胺纖維,是一種高強、高模、耐高溫型高性能有機纖維,具有耐酸耐堿、重量輕等優良性能,在增強復合材料方面有重要作用。但是芳綸分子鏈剛性大、表面活性低、表面浸潤性也較差,導致芳綸與基體之間形成界面缺陷,限制了復合材料性能的發揮。

              芳綸中最具實用價值的品種有兩個:一是分子鏈排列呈鋸齒狀的間位芳綸纖維(聚間苯二甲酰間苯二胺),我國稱之為芳綸1313(PMIA);一是分子鏈排列呈直線狀的對位芳綸纖維(聚對苯二甲酰對苯二胺),我國稱之為芳綸1414(PPTA)。

              一、芳綸本身的結構特點:

              1. 芳綸纖維表面缺少化學活性基團,以及其苯環結構產生較大的空間位阻效應,從而呈現較大的化學惰性,不利于芳綸與基體材料的結合;

              2. 酰胺基團位于兩個苯環之間,與苯環形成大π鍵共軛結構,內旋位阻高使得芳綸纖維高的結晶呈現出較大的剛性;

              3. 高分子鏈間形成氫鍵,纖維表面光滑,表面浸潤性也較差,導致芳綸與基體之間形成界面缺陷,限制了復合材料性能的發揮。

              二、芳綸表面改性方法

              芳綸纖維表面改性的方法一般集中在利用化學反應改善纖維表面組成及結構或利用物理方法提高芳綸與基體樹脂之間的浸潤性這2個方面。芳綸表面改性的方法主要有高能物理法、涂覆法、氟化法和化學法。

              1.化學改性法:主要是利用化學反應在纖維表面引入極性或可反應基團,從而增加與樹脂的界面作用力或與樹脂反應形成共價鍵,主要包括:偶聯、接枝、刻蝕等方式。

              2.表面涂覆法:在纖維的表面涂上一層化學物質,這層化學物質和基體的黏結性都很好,從而提高纖維與樹脂的黏結性能。

              3.高能物理法:包括等離子處理、超聲波處理、γ射線處理等方法,主要利用一些物理反應所釋放的能量來提高芳綸表面的活性,改善纖維的濕潤性,進而改善復合材料的界面狀況。

              4.氟化處理法:氟化處理后在纖維表面引入大量的含氧和含氟極性官能團,提高了纖維表面的浸潤性,有利于提高纖維表面與樹脂基體的粘結性;氟化改性的刻蝕效應使纖維表面產生很多微孔結構,增加了與基體的接觸面積,有利于物理嵌合結構的形成,從而提高纖維與環氧樹脂基體間粘結性。

              三、幾種具體處理方法

              1. 低溫氨氣等離子體改性:

              將處理后的芳綸放入常壓射頻低溫等離子體處理腔體內,以氨氣為放電氣體對芳綸表面進行等離子改性。

              處理后芳綸表面N元素含量得到明顯提高(可能是氨氣等離子體處理后使氮元素暴露在纖維表面),有明顯的隆起和刻蝕產生的碎片,比表面積增大,纖維表面粗糙程度明顯增加,能更好地和環氧樹脂基體進行黏附結合,并且處理后的芳綸纖維的拉伸強度在一定處理時間內下降幅度很小。

              2.LiCl乙醇溶液處理:

              LiCl能與芳綸纖維發生絡合反應,破壞分子鏈中的氫鍵,而Li?與O發生絡合作用形成配位鍵。處理后芳綸表面的含氮官能團含量增加,纖維表面刻蝕出溝槽,使原本光滑的纖維表面變得粗糙。

              3.磷酸酯偶聯劑改性:

              在酸性條件下,磷酸酯偶聯劑中的異丙基很容易水解,生成-POOH具有很高的活性,在加熱條件下可以與芳綸纖維表面的-NH2發生反應,從而將磷酸酯偶聯劑接枝到芳綸纖維表面。

              改性后的纖維表面有很多突出物,說明偶聯劑成功地接枝到纖維表面;磷酸偶聯劑中的長鏈烷烴基與PP分子鏈有很好的物理纏結作用,以及其含有的苯環與芳綸纖維有很好的相容性。同時,處理后粗糙的纖維表面也增加了纖維與PP直接的物理契合點,進一步提高了芳綸纖維與PP基體之間的界面黏結性。


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