CN104195815B - 一种修饰芳纶纤维表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修饰芳纶纤维表面的方法，它包括芳纶纤维的预处理和芳纶纤维的表面涂覆两个过程。首先是对芳纶纤维进行磷酸预处理，然后采用浸渍提拉法对经过表面预处理的芳纶纤维进行表面涂覆、干燥，使芳纶纤维表面形成有机无机杂化材料膜，完成表面修饰过程。经过表面修饰后的芳纶纤维力学性能得到提高；利用修饰后的芳纶纤维制备的复合材料，界面性能有明显改善。本发明工艺简单，可以有效实现对芳纶纤维的表面修饰，改善芳纶纤维的表面性能。
Description
技术领域
本发明涉及纤维表面修饰技术，特别是涉及一种修饰芳纶纤维表面的方法。
背景技术
芳纶纤维因其具有超高强度、高模量、极好的耐热性、耐化学腐蚀、重量轻等优异性能，是一种十分理想的增强材料。目前，芳纶纤维增强复合材料被广泛的应用到了航空航天、军事、机械等各个领域。但是，芳纶纤维本身的皮芯结构使其表面呈化学惰性，与基体材料的界面结合不够理想，从而影响芳纶纤维高强高模性能的发挥。为此，需要对芳纶纤维进行表面处理，以提高其表面活性。目前常用的处理方法有表面化学接枝、高能射线辐射、等离子体处理、超声波等。这些方法存在着一定的不足：如对芳纶纤维造成一定程度的损伤，设备复杂，能耗大，处理存在时效性，连续在线处理困难，且处理效果有待进一步提高等问题。因此，寻找一种低碳节能、简单高效，又不会造成纤维损伤的新颖的修饰芳纶纤维表面的方法具有很好的实际意义。
发明内容：
为了使芳纶纤维具有更好的表面活性和应用价值，同时也为了避免芳纶纤维表面处理过程中带来的高能耗，以及芳纶纤维本身性能降低等不足之处，本发明提供一种修饰芳纶纤维表面的方法，在改善芳纶纤维表面性能的同时又可以避免对纤维的损伤，具有较高的实际应用价值。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：一种修饰芳纶纤维表面的方法，包括以下步骤：
（1）利用磷酸对芳纶纤维进行预处理：取芳纶纤维于丙酮中超声清洗2h，然后置于质量分数为30%的磷酸溶液中，40℃的条件下浸渍处理2h，100℃下烘干后备用；
（2）将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺以质量比为1：0.01：0.2-0.4：5-20：10混合，并将混合液放入密闭容器中静置6小时-6个月，得表面处理剂；使用时，取出所需要的量，加入稀释剂N，N-二甲基乙酰胺，稀释至25-50倍（质量比）；在空气中陈化2-24小时，得到表面处理剂稀释液；
（3）将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍3-9min，然后垂直提拉芳纶纤维（提拉速度为1-2mm/s），干燥，完成对芳纶纤维表面修饰过程。
进一步地，所述步骤3中的干燥条件为：在室温条件下放置22-26小时，放入烘箱中以0.25-0.5℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时左右，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。
本发明的有益效果是，本发明的修饰芳纶纤维表面的方法操作简单，表面涂覆剂制备方便，只要将不同的组份按配比混合均匀即可；该表面涂覆剂制备过程中不添加水解源，而是利用空气中的水分，可以重复使用，基本没有废液排放，还具有即关即停，即开即用的特点；利用本发明的方法修饰芳纶纤维，可以提高芳纶纤维的表面活性和比表面积；由于本发明的方法修饰芳纶纤维表面不存在高温、强氧化等条件，芳纶纤维本身的力学性能没有受到损伤，且对芳纶纤维有补强作用；与未经修饰的芳纶纤维原样相比，修饰后的芳纶纤维的力学性能得到一定的提高；利用表面修饰后的纤维与树脂复合制备复合材料，与未处理的芳纶纤维制备的复合材料相比，纤维与树脂的界面结合性能得到了显著的改善。
附图说明：
图1是本发明修饰前后的芳纶纤维的拉伸强度柱状图，a是修饰前芳纶纤维，b是修饰后芳纶纤维。
具体实施方式：
本发明修饰芳纶纤维表面的方法，具体为：
（1）利用磷酸对芳纶纤维进行预处理：取芳纶纤维于丙酮中超声清洗2h，然后置于质量分数为30%的磷酸溶液中，40℃的条件下浸渍处理2h，100℃下烘干后备用；
（2）将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺以质量比为1：0.01：0.2-0.4：5-20：10混合，并将混合液放入密闭容器中静置6小时-6个月，得表面处理剂；使用时，取出所需要的量，加入稀释剂N，N-二甲基乙酰胺，稀释至25-50倍（质量比）；在空气中陈化2-24小时，得到表面处理剂稀释液；
（3）将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍3-9min，然后垂直提拉芳纶纤维（提拉速度为1-2mm/s），干燥，完成对芳纶纤维表面修饰过程。
所述步骤3中的干燥条件为：在室温条件下放置22-26小时，放入烘箱中以0.25-0.5℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时左右，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。
下面根据实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
实施例1
一种修饰芳纶纤维表面的方法，包括以下步骤：
1.用质量分数为30%的磷酸溶液在40℃下对芳纶纤维预处理2h后得到表面预先处理的芳纶纤维；
2.将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺按照质量百分比1：0.01：0.2：10：10混合搅拌后，将混合液放入密闭容器中静置6小时。使用时，从容器中取出8克混合液，用N，N-二甲基甲酰胺稀释至200克，在空气中陈化24小时，得到表面处理剂稀释液；
3.将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍3min，然后垂直提拉芳纶纤维（提拉速度为1mm/s），提拉结束后将纤维在室温条件下放置24小时，放入烘箱中以0.25℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时左右，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。经力学性能测试，其结果如图1。芳纶纤维强度由原来的2.73Gpa提高到了3.06Gpa，提高了12.1%。
实施例2
一种修饰芳纶纤维表面的方法，包括以下步骤：
1.用质量分数为30%的磷酸溶液在40℃下对芳纶纤维预处理2h后得到表面预先处理的芳纶纤维；
2.将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺按照质量百分比1：0.01：0.4：20：10混合搅拌后，将混合液放入密闭容器中静置6个月。使用时，从容器中取出4克混合液，用N，N-二甲基甲酰胺稀释至200克，在空气中陈化2小时，得到表面处理剂稀释液；
3.将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍9min，然后垂直提拉芳纶纤维（提拉速度为2mm/s），提拉结束后将纤维在室温条件下放置22小时，放入烘箱中以0.5℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。力学性能测试证明，该实施例处理后的芳纶纤维强度提高了10.2%。
实施例3
1.用质量分数为30%的磷酸溶液在40℃下对芳纶纤维预处理2h后得到表面预先处理的芳纶纤维；
2.将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺按照质量百分比1：0.01：0.2：5：10混合搅拌后，将混合液放入密闭容器中静置6小时。使用时，从容器中取出8克混合液，用N，N-二甲基甲酰胺稀释至200克，在空气中陈化2小时，得到表面处理剂稀释液；
3.将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍3min，然后垂直提拉芳纶纤维（提拉速度为1mm/s），提拉结束后将纤维在室温条件下放置26小时，放入烘箱中以0.3℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时左右，使修饰后的芳纶纤维表面形成一层有机无机杂化材料膜，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。将修饰后的芳纶纤维经过扫描电镜分析发现，纤维表面变粗糙。
剪切强度的测试：将E-51环氧树脂、低分子650聚酰胺固化剂、660A活性稀释剂、聚乙二醇200按照10：8：2：2的质量比搅拌均匀，真空脱泡20min后，得树脂基体，将修饰后的芳纶纤维与树脂基体进行复合，于80℃下固化4h，制得单丝复合材料。对单丝复合材料进行界面性能测试，与未经表面修饰的芳纶纤维单丝复合材料相比，界面剪切强度提高了71%。
上述实施例用来解释说明本发明，不应理解为对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种修饰芳纶纤维表面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）利用磷酸对芳纶纤维进行预处理：取芳纶纤维于丙酮中超声清洗2h，然后置于质量分数为30%的磷酸溶液中，40℃的条件下浸渍处理2h，100℃下烘干后备用；
（2）将正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、SMPU、N，N-二甲基乙酰胺以质量比为1：0.01：0.2-0.4：5-20：10混合，并将混合液放入密闭容器中静置6小时-6个月，得表面处理剂；加入稀释剂N，N-二甲基乙酰胺，稀释至25-50倍质量；在空气中陈化2-24小时，得到表面处理剂稀释液；
（3）将步骤1预处理后的芳纶纤维在步骤2配制的表面处理剂稀释液中浸渍3-9min，然后垂直提拉芳纶纤维，提拉速度为1-2mm/s，提拉后干燥，完成对芳纶纤维表面修饰过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的干燥条件为：在室温条件下放置22-26小时，放入烘箱中以0.25-0.5℃/min的升温速度升至70℃并保温2小时，冷却制得表面修饰的芳纶纤维。
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