CN110042664A - Ppta寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合成纤维技术领域，尤其涉及一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用。本发明通过控制对苯二胺(PDA)与对苯二甲酰氯的摩尔比例来控制聚合物端基，合成的PPTA寡聚物与氮甲基吡咯烷酮溶液混合，进而实现对位芳纶纤维的溶胀处理。本发明的操作简单、效果显著，得到界面剪切强度、拉伸强度和弹性模量有显著提高的改性对位芳纶纤维。

Description

PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用
技术领域
本发明属于合成纤维技术领域，尤其涉及一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用。
背景技术
对位芳纶纤维是一种高性能合成纤维,具有超高强度、高模量和耐高温耐酸耐碱、重量轻等优良性能,从美国杜邦公司研制初期，它的用途就相当广泛。随着时代的发展，人们对材料的要求在不断地提高，，所以对位芳纶性能的提高也成为了一个需要解决的问题。然而凯夫拉不溶于任何普通溶剂，没有熔点，通过硫酸溶液的湿纺来生产，其生产工艺十分严苛，因此我们在不改变PPTA生产工艺的前提下对其进行性能增强。
对位芳纶纤维进行改性的方法有许多，但其中大部分操作复杂，实验条件苛刻，成本极高，难以用作大规模生产。近期有报道公开了将碳纳米管、改性碳纳米管与对位芳纶纤维通过物理混合制成复合材料的方法，该方法中，对位芳纶纤维在氮甲基吡咯烷酮中进行溶胀处理。上述方法尽管混合简单，但缺点在于：碳纳米管成本高，改性碳纳米管成本更高且易在聚合物内形成聚集体，这些聚集体在复合材料中作为缺陷部位，可能导致材料之间的滑移。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用。
进一步，具体方法如下：
(1)将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，使PPTA寡聚物的浓度为0.1mg/mL-1.0mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维浸入步骤(1)的混合溶液中，在10-50℃条件下超声处理20-60min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
更进一步，所述的对位芳纶纤维为Kevlar-129、Kevlar-49、kevlar29、帝人Twaron或泰普龙529R。
更进一步，所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-49的最优力学性能弹性模量为1229.93±14.25MPa，比原丝增加9.03％；载荷为494.43±10.42N，比原丝增加5.73％；拉伸应变为2.51±0.24％，比原丝增加2.96％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.46±0.15MPa，比原丝增加38.51％。
所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-129的最优力学性能弹性模量为686.86±12.25MPa，比原丝增加8.61％；载荷为213.78±9.87N，比原丝增加20.54％；拉伸应变为2.47±0.42％，比原丝增加21.07％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为5.32±0.18MPa，比原丝增加65.22％
所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-29的最优力学性能弹性模量为738.11±17.28MPa，比原丝增加13.27％；载荷为218.58±6.34N，比原丝增加4.49％；拉伸应变为3.20±0.35％，比原丝增加5.01％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.46±0.15MPa，比原丝增加38.51％。
所得改性后的对位芳纶纤维帝人Twaron(Type 1008)的最优力学性能弹性模量为2033.03±23.13MPa，比原丝增加11.23％；载荷为719.71±13.53N，比原丝增加8.34％；拉伸应变为3.63±0.41％，比原丝增加4.98％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.54±0.05MPa，比原丝增加40.99％。
所得改性后的对位芳纶纤维泰普龙529R的最优力学性能弹性模量为686.18±16.41MPa，比原丝增加6.47％；载荷为333.18±10.85N，比原丝增加1.38％；拉伸应变为3.05±0.14％，比原丝增加0.03％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为3.85±0.08MPa，比原丝增加19.56％％。
本发明的有益效果是：
本发明通过控制对苯二胺(PDA)与对苯二甲酰氯的摩尔比例来控制聚合物端基，合成的PPTA寡聚物与氮甲基吡咯烷酮溶液混合，进而实现对位芳纶纤维的溶胀处理。本发明的操作简单、效果显著，得到界面剪切强度、拉伸强度和弹性模量有显著提高的改性对位芳纶纤维。
附图说明
图1为原始对位芳纶纤维Kevlar-49的扫描电镜图；
图2为实施例1的改性对位芳纶纤维Kevlar-49的扫描电镜图；
图3为实施例2的改性对位芳纶纤维Kevlar-129的扫描电镜图；
图4为原始对位芳纶纤维Kevlar-49的单丝拉伸试验扫描电镜图；
图5为实施例1的改性对位芳纶纤维的单丝拉伸试验扫描电镜图(聚丙烯)；
图6为实施例2的改性对位芳纶纤维的单丝拉伸试验扫描电镜图(聚丙烯)。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用，方法如下：
(1)取0.108g对苯二胺溶于33.33mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，在冰水浴、惰性气体保护条件下加入三口烧瓶中；取0.203g对苯二甲酰氯溶于33.33mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，缓慢滴加于三口烧瓶中；在30℃条件下反应30min，反应完全，合成PPTA寡聚物；
将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，得到50mL混合溶液，PPTA寡聚物的浓度为0.1mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维K49浸入步骤(1)的混合溶液中，在10℃条件下超声处理50min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维Kevlar-49，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
经测试，所得改性对位芳纶纤维Kevlar-49的最优力学性能弹性模量为1229.93MPa，与原丝比增加9.03％；载荷为494.43N，比原丝增加5.73％；拉伸应变为2.51％，比原丝增加2.96％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.46MPa，比原丝增加38.51％。
实施例2
一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用，方法如下：
(1)取0.162g对苯二胺溶于50mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，在冰水浴、惰性气体保护条件下加入三口烧瓶中；取0.203g对苯二甲酰氯溶于50mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，缓慢滴加于三口烧瓶中；在30℃条件下反应30min，反应完全，合成PPTA寡聚物；
将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，得到50mL混合溶液，PPTA寡聚物的浓度为0.3mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维Kevlar-129浸入步骤(1)的混合溶液中，在35℃条件下超声处理30min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维Kevlar-129，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
经测试，所得改性对位芳纶纤维Kevlar-129的最优力学性能弹性模量为686.86MPa，与原丝比增加8.61％；载荷为213.78N，比原丝增加20.54％；拉伸应变为2.47％，比原丝增加21.07％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为5.32MPa，比原丝增加65.22％。
由图1、图2和图3可以看出，图1为原始芳纶纤维的表面，比较光滑，几乎没有物质附着在表面；图2、图3分别为实施例1、实施例2的改性对位芳纶纤维的表面，可以清楚地看见在纤维表面有大量的寡聚物存在，包裹着原纤维，增强缺陷的结合点，增强纤维力学性能。
由图4、图5和图6可以看出，图4为单丝拉伸试验中原始对位芳纶纤维的结合处，图5和图6分别为单丝拉伸试验中实施例1、实施例2改性对位芳纶纤维的结合处，可以明显看出，相比于原始对位芳纶纤维，改性对位芳纶纤维与聚丙烯结合的更紧密，原始对位芳纶纤维进行拉伸试验时聚丙烯直接脱落；而改性对位芳纶纤维在进行拉伸试验时，一些纤维会断裂，然后随着环氧树脂一起脱落，并且在拉伸试验结束后还有残余聚丙烯结合在改性纤维表面，说明界面剪切强度有所提高。
实施例3
一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用，方法如下：
(1)取0.216g对苯二胺溶于66.67mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，在冰水浴、惰性气体保护条件下加入三口烧瓶中；取0.203g对苯二甲酰氯溶于66.67mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，缓慢滴加于三口烧瓶中；在30℃条件下反应30min，反应完全，合成PPTA寡聚物；
将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，得到50mL混合溶液，PPTA寡聚物的浓度为0.5mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维Kevlar-49浸入步骤(1)的混合溶液中，在35℃条件下超声处理30min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维Kevlar-49，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
实施例4
一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用，方法如下：
(1)取0.270g对苯二胺溶于83.33mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，在冰水浴、惰性气体保护条件下加入三口烧瓶中；取0.203g对苯二甲酰氯溶于83.33mL氮甲基吡咯烷酮溶剂中，缓慢滴加于三口烧瓶中；在30℃条件下反应30min，反应完全，合成PPTA寡聚物；
将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，得到50mL混合溶液，PPTA寡聚物的浓度为0.7mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维Kevlar-129浸入步骤(1)的混合溶液中，在35℃条件下超声处理30min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维Kevlar-129，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种PPTA寡聚物在对位芳纶纤维增强中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，方法如下：
(1)将PPTA寡聚物溶于氮甲基吡咯烷酮溶液中，使PPTA寡聚物的浓度为0.1mg/mL-1.0mg/mL；
(2)将对位芳纶纤维浸入步骤(1)的混合溶液中，在10-50℃条件下超声处理20-60min，溶胀；
(3)取出步骤(2)经超声处理后的对位芳纶纤维，放入真空干燥箱中悬空干燥，在60℃条件下干燥7天，得到改性后的对位芳纶纤维。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的对位芳纶纤维为Kevlar-129、Kevlar-49、Kevlar-29、帝人Twaron或泰普龙529R。
4.根据权利要求2的应用，其特征在于，所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-49的最优力学性能弹性模量为1229.93±14.25MPa；载荷为494.43±10.42N；拉伸应变为2.51±0.24％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.46±0.15MPa。
5.根据权利要求2的应用，其特征在于，所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-129的最优力学性能弹性模量为686.86±12.25MPa；载荷为213.78±9.87N；拉伸应变为2.47±0.42％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为5.32±0.18MPa。
6.根据权利要求2的应用，其特征在于，所得改性后的对位芳纶纤维Kevlar-29的最优力学性能弹性模量为738.11±17.28MPa；载荷为218.58±6.34N；拉伸应变为3.20±0.35％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.46±0.15MPa。
7.根据权利要求2的应用，其特征在于，所得改性后的对位芳纶纤维帝人Twaron的最优力学性能弹性模量为2033.03±23.13MPa；载荷为719.71±13.53N；拉伸应变为3.63±0.41％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为4.54±0.05MPa。
8.根据权利要求2的应用，其特征在于，所得改性后的对位芳纶纤维泰普龙529R的最优力学性能弹性模量为686.18±16.41MPa；载荷为333.18±10.85N；拉伸应变为3.05±0.14％；聚丙烯单丝拉伸测得界面剪切强度为3.85±0.08MPa。
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