CN103485161A - 一种芳纶纤维的改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种芳纶纤维的改性方法，包括：将芳纶纤维放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为0.5℃/min-5℃/min，处理温度为恒温零下90℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温至室温后将芳纶纤维从深冷处理设备中取出，处理完毕。本发明提高纤维耐磨性能，增大芳纶纤维粗糙度，进而改善其与树脂基体界面间的黏接性能，提高芳纶纤维综合性能。
Description
技术领域
本发明属于高性能纤维改性领域，特别涉及一种芳纶纤维的改性方法。
背景技术
芳香族聚酰胺纤维(芳纶)是目前世界上发展最快的一种高性能化学纤维。它因具有高比强度、高比模量、低密度、耐磨损、耐冲击、抗疲劳等优异的力学性能和动态性能；良好的耐化学腐蚀性，耐高温、低膨胀、低电导率、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能而受到广泛关注。作为纤维增强复合材料，在密度和强度方面比玻璃纤维增强复合材料具有更显著的优点，因此被广泛应用于航空航天、国防军工、电子通讯、交通运输、土木建筑、橡胶制品、体育休闲等领域。但是，芳纶分子结构上的酰胺基团被芳环分离且与苯环形成了π共轭效应，导致酰胺基上的H原子活性很差，故芳纶纤维表面缺乏化学活性基团而呈现惰性，表面浸润性较差，其在形成复合材料时与树脂基体的黏合性能不佳。而且，芳纶纤维由于在摩擦情况下，易产生原纤化现象，导致其耐磨性能较差，极大限制了其在绳网领域的应用。
目前，芳纶改性一般采用化学方法和物理方法。化学改性是通过氯磺化、硝化/还原等化学反应，在纤维表面引入羟基、羧基等极性基团，依靠化学键合或极性作用来提高纤维与基体之间的粘合强度；而物理技术一般是依靠等离子体、高能射线在纤维表面通过刻蚀、活化和接枝的综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，增加纤维表面的自由能，进而达到提高纤维与基体之间的粘结强度的目的。
深冷处理又称超低温处理或超亚冷处理,它是常规冷处理的延伸。深冷处理工艺一般被认为是以液氮作为深冷介质，将被处理样品装在一定的容器内，不同的材料按其特定的降温曲线，控制降温速率，缓慢地将样品降到液氮温度，保温一定时间，再按升温曲线，缓慢升到室温的处理过程。这种工艺不仅主要用于黑色金属材料及其合金，有色金属材料及其合金等，能使金属工具在抗磨料磨损、抗腐蚀磨损、减少内应力以及提高材料的稳定性等方面都显示出一定程度的改善。
迄今为止，将深冷处理工艺应用于芳纶纤维的改性处理中，还未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种芳纶纤维的改性方法，该工艺方法提高纤维耐磨性能，增大芳纶纤维粗糙度，进而改善其与树脂基体界面间的黏接性能，提高芳纶纤维综合性能。
本发明一种芳纶纤维的改性方法，包括：
将芳纶纤维放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为0.5℃/min-5℃/min，处理温度为恒温零下90℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温至室温后将芳纶纤维从深冷处理设备中取出，处理完毕。
所述芳纶纤维为对位芳香族聚酰胺纤维或者间位芳香族聚酰胺纤维。
所述芳纶纤维为Kevlar系列纤维、Nomex纤维、Twaron纤维或Technora纤维。
所述深冷介质为液氮环境或通过其他方式得到的超低温环境。
所述回温方式为程序控制回温或在室温环境下自动回温。
所述程序控制的回温速度为1℃/min-5℃/min。
所述深冷处理，等同于超低温处理或超亚冷处理，指的是将被处理对象置于特定的、可控的低温环境中,使其材料的微观组织结构产生变化,从而达到提高或改善材料性能的一种技术。
综合性能包括芳纶纤维树脂的界面结合性能、表面摩擦性能、表面为粗糙度、拉伸性能、耐磨损性能等综合性能。
本发明所述深冷技术应用通常以液氮作为冷源，利用其相变(气化)吸热来获得低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一，无毒无味，因而深冷技术的应用对环境无害,属于绿色制造技术范畴。
综上所述，本发明由于采用深冷处理，既能在提高芳纶纤维的耐磨损性能和拉伸性能的前提下，同时明显地改善芳纶纤维与树脂基体的粘结性能，可显著提高芳纶纤维增强树脂复合材料的整体力学性能，且工艺方法简单、操作方便，降低改性工艺的生产成本，具有显著的经济效益和社会效益，拥有良好的工业应用前景。
有益效果
（1）本发明中经深冷处理的芳纶纤维具有更为优异的综合力学性能，可满足不同领域内的应用需求，同时提高芳纶纤维材料的使用寿命。
（2）本发明中经深冷处理的芳纶纤维耐摩擦性能及拉伸性能有明显的提高，充分挖掘了芳纶纤维材料的潜力。
（3）本发明中芳纶纤维经深冷处理后表面粗糙化，表明能增加的同时与树脂基体的接触面积也增大，有利于芳纶纤维与树脂形成良好的粘合界面，提高芳纶增强复合材料的综合性能。
（4）本发明的深冷处理工艺过程及深冷处理设备结构简单，与其他改性处理工艺相比，更节约能源及生产成本，具有良好的发展前景。
（5）本发明所述深冷处理技术以液氮作为冷源，利用其相变(气化)吸热来获得低温环境、无毒无味、环境友好，属于绿色制造技术范畴。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
采用深冷处理方法改性Kevlar-29纤维
将清洁的Kevlar-29纤维放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数。按表1中的深冷处理参数表设定深冷处理参数即可。
表1深冷处理参数表
| 降温速度（℃/分钟） | 保冷温度/℃ | 保冷时间/（h） | 深冷介质 |
| 2 | -196 | 10 | 液氮 |
处理完毕后，容器环境温度达到室温后，切不可用手直接从容器中取出纤维，要用专用设备。待取出的深冷处理过的Kevlar-29纤维在空气中自然回温到室温时，即完成改性处理过程。深冷处理后，Kevlar-29纤维的拉伸强力提高8-10%，耐磨性提高10-20%，界面粘合性能提高25%以上。
实施例2
采用深冷处理方法改性Kevlar-129纤维
将清洁的Kevlar-129纤维放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数。按表1中的深冷处理参数表设定深冷处理参数即可。
表2深冷处理参数表
| 降温速度（℃/分钟） | 保冷温度/℃ | 保冷时间/（h） | 深冷介质 |
| 2 | -190 | 12 | 液氮 |
处理完毕后，容器环境温度达到室温后，切不可用手直接从容器中取出纤维，要用专用设备。待取出的深冷处理过的Kevlar-129纤维在空气中自然回温到室温时，即完成改性处理过程。深冷处理后，Kevlar-129纤维的拉伸强力提高8-10%，耐磨性提高15-25%，界面粘合性能提高25%以上。
实施例3
采用深冷处理方法改性Technora纤维
将清洁的Technora纤维放置在深冷处理设备(SLX-100R)中。将深冷处理设备的容器盖紧，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数。因此，可按表1中的深冷处理参数表设定深冷处理参数即可。
表3深冷处理参数表
| 降温速度（℃/分钟） | 保冷温度/℃ | 保冷时间/（h） | 深冷介质 |
| 1 | -190 | 12 | 液氮 |
处理完毕后，容器环境温度达到室温后，切不可用手直接从容器中取出纤维，要用专用设备。待取出的深冷处理过的Technora纤维在空气中自然回温到室温时，即完成改性处理过程。深冷处理后，Technora纤维的拉伸强力提高8-10%；耐磨性提高15-20%，界面粘合性能提高25%以上。
实施例4
采用深冷处理方法Twaron纤维
将清洁的Twaron纤维放置在深冷处理设备（SLX-100R）中。将深冷处理设备的容器盖紧，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺参数。按表4中的深冷处理参数表设定深冷处理参数即可。
表4深冷处理参数表
| 降温速度（℃/分钟） | 保冷温度/℃ | 保冷时间/（h） | 深冷介质 |
| 2 | -195 | 12 | 液氮 |
处理完毕后，容器环境温度达到室温后，切不可用手直接从容器中取出纤维，要用专用设备。待取出的深冷处理过的Twaron纤维在空气中自然回温到室温时，即完成改性处理过程。深冷处理后，Twaron纤维的拉伸强力提高8-10%，耐磨性提高10-20%，界面粘合性能提高25%以上。
Claims (6)
1.一种芳纶纤维的改性方法，包括：
将芳纶纤维放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭；设置深冷处理工艺参数：降温速度为0.5℃/min-5℃/min，处理温度为恒温零下90℃至零下200℃，处理时间为3小时-15小时；回温至室温后将芳纶纤维从深冷处理设备中取出，处理完毕。
2.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维的改性方法，其特征在于：所述芳纶纤维为对位芳香族聚酰胺纤维或者间位芳香族聚酰胺纤维。
3.根据权利要求2所述的一种芳纶纤维的改性方法，其特征在于：所述芳纶纤维为Kevlar系列纤维、Nomex纤维、Twaron纤维或Technora纤维。
4.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维的改性方法，其特征在于：所述深冷介质为液氮环境或通过其他方式得到的超低温环境。
5.根据权利要求1所述的一种芳纶纤维的改性方法，其特征在于：所述回温方式为程序控制回温或在室温环境下自动回温。
6.根据权利要求5所述的一种芳纶纤维的改性方法，其特征在于：所述程序控制的回温速度为1℃/min-5℃/min。
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