CN113667154A - 一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法 - Google Patents

一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。该方法首先借助相容性较好的单宁酸和聚苯胺涂覆超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。单宁酸优异的粘附性使纤维上面带有羟基，再利用聚苯胺使之之间产生氢键，从而完成对纤维的表面改性；然后在进行材料复合时，环氧树脂基体的环氧基团一方面可以与固化剂的胺基反应，一方面可以与纤维上的氨基反应。与原复合材料相比，该复合材料的纤维与树脂基体界面的粘结性显著提高，还具有优异的拉伸、弯曲和抗冲击性能，并且可以提高UHMWPE纤维的导电性能。本发明制备方法简单，在树脂基复合材料领域有着广泛的应用前景。

Description

一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤 维的制备方法
【技术领域】：
本发明属于纤维/树脂复合材料技术领域，具体涉及纤维表面构建氧键接枝氨基，增加纤维与树脂基之间的界面粘结性，从而增强纤维复合材料的拉伸、弯曲和抗冲击等性能。
【背景技术】：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维。目前应用广泛，但是由于UHMWPE纤维表面无极性基团，无化学活性，表面能低，非极性物质难以浸润，熔点低等缺点，从而限制了其应用。尤其是在增强树脂基复合材料方面，其与树脂基体之间的粘结性能较差，难以将应力从基体传到纤维中去，造成抗冲击性能低，导致复合材料在使用过程中出现纤维与树脂基体发生脱胶和树脂基体开裂等问题。因此对UHMWPE纤维进行改性，以提高纤维和树脂之间的粘结力是该领域的研究热点之一。
为了改善UHMWPE纤维与树脂基体之间的粘结性能，国内外学者做了大量的探索研究，主要的改性途径是在不损伤纤维内部结构的基础上对纤维表面进行处理。即通过对纤维表面进行处理，增加纤维的表面能。从而改善纤维与树脂之间的界面粘结性能。常见的表面改性方法有：涂覆处理、化学氧化处理、等离子体处理、辐照接枝处理和电晕放电处理。
本发明利用单宁酸和聚苯胺对纤维表面进行双层涂覆改性，先利用单宁酸使纤维带有羟基官能团，再利用聚苯胺与单宁酸产生氢键作用，使纤维表面带有和伯胺和仲胺。随着胺类固化剂的加入，环氧树脂的环氧基一方面与固化剂的氨基反应，一方面与纤维表面的氨基发生反应，产生强大的化学键来增强纤维与树脂之间界面粘结性，伯胺一定程度上还能促进反映的进行。本发明工艺操作简单，在纤维树脂基复合材料领域有着广泛的应用前景。
【发明内容】：
一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。
所采用的技术方案是：
1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在苯胺溶液和盐酸溶液中1h，使之充分浸泡。然后加入过硫酸铵引发剂，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待2h反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
3)纤维复合材料制备
向烧杯中称取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5～10min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
所述步骤2)中过硫酸铵与苯胺的摩尔比为0.8∶1～1.2∶1。
所述步骤2)中界面聚合的溶液pH为2～4。
本发明提供一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法。本实验操作简单，成本低，所用的试剂均为常规试剂，不需要特殊设备，在增强纤维与树脂基界面粘结性方面有着广泛的前景。
【附图说明】
图1(a)APS与ANI不同摩尔比例改性纤维拉伸断裂强度。
(b)APS与ANI不同摩尔比例改性纤维界面剪切强度。
(c)APS与ANI不同摩尔比例改性纤维单纤维强度。
(d)APS与ANI不同摩尔比例改性纤维电导率。
【具体实施方案】
实施例1：构建氢键((NH4)2S2O8∶ANI＝0.8∶1)改性超高分子量聚乙烯纤维及复合材料的制备
(1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
(2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在30mL苯胺溶液(1moL/L)和盐酸的混合溶液中，溶液pH为4，使之充分浸泡一段时间。然后加入30mL过硫酸铵溶液(0.8moL/L)，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待聚合反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
(3)纤维复合材料制备
取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
实施例2：构建氢键((NH4)2S2O8∶ANI＝1∶1)改性超高分子量聚乙烯纤维及复合材料的制备
(1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
(2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在30mL苯胺(1moL/L)和盐酸的混合溶液中，溶液pH为4，使之充分浸泡一段时间。然后加入30mL过硫酸铵溶液(1moL/L)，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待聚合反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
(3)纤维复合材料制备
取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
实施例3：构建氢键((NH4)2S2O8∶ANI＝1.2∶1)改性超高分子量聚乙烯纤维及复合材料的制备
(1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
(2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在30mL苯胺(1moL/L)和盐酸的混合溶液中，溶液pH为4，使之充分浸泡一段时间。然后加入30mL过硫酸铵溶液(1.2moL/L)，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待聚合反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
(3)纤维复合材料制备
取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
实施例4：构建氢键(pH-2)改性超高分子量聚乙烯纤维及复合材料的制备
(1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
(2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在30mL苯胺(1moL/L)和盐酸的混合溶液中，溶液pH值为2，使之充分浸泡一段时间。然后加入30mL过硫酸铵溶液(1moL/L)，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待聚合反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
(3)纤维复合材料制备
取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
实施例5：构建氢键(pH-3)改性超高分子量聚乙烯纤维及复合材料的制备
(1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
(2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在30mL苯胺(1moL/L)和盐酸的混合溶液中，溶液pH值为3，使之充分浸泡一段时间。然后加入30mL过硫酸铵溶液(1moL/L)，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待聚合反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
(3)纤维复合材料制备
取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
【试验效果评估】
参阅图1(a)，试验例3的机械拉伸强度最高达103.88MPa，一定程度说明此时UHMWPE纤维与环氧树脂的界面粘结强度最大；参阅图1(b)，界面剪切强度随着过硫酸铵的比例不断增加，试验例3时达到最大值2.51MPa，摩尔比低于1.0时，由于体系反应的活性中心相对较少，易于生成高分子量的聚苯胺，增大拉伸强度。而当氧化剂的用量过多时，体系的活性中心相对较多，不但不利于生成高分子量的聚苯胺，而且过量的氧化剂还会对主链的共轭结构氧化破坏，从而导致生成更小分子量的聚苯胺，使纤维上带有更多的氨基基团，增强与环氧树脂的相互作用，可以直接说明改性效果最优，界面粘结程度最好；同时还要考虑过硫酸铵对纤维的损伤，参阅图1(c)，试验例3的单纤维强度出现了略微下降，影响不大；参阅图1(d)试验例3的纤维仍具有一定的导电性(0.08S/m)，使UHMWPE纤维从绝缘性实现了导电性的转变。

Claims (4)

1.一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，包括如下步骤：
1)单宁酸改性超高分子量聚乙烯纤维
将超高分子量聚乙烯纤维于乙醇中浸泡一段时间，去除纤维表面残留的有机溶剂，然后取出烘干。将干燥后的纤维浸没在含有0.4g单宁酸和3g氯化钠的200mL的溶液中，加入Tris调节溶液pH＝8.5。将纤维尽可能的单丝分布，以便涂覆均匀。然后放置在摇床中，35℃下震荡8h，震荡速率设置60r/min。反应完成后，使用大量的去离子反复冲洗，除去纤维表面多余的单宁酸，后将其放入60℃干燥箱中烘干，备用；
2)单宁酸-聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维
首先，将单宁酸初步涂覆的超高分子量聚乙烯纤维浸泡在苯胺溶液和盐酸溶液中1h，使之充分浸泡。然后加入过硫酸铵引发剂，引发苯胺聚合生成聚苯胺。待2h反应完成后，去离子水洗涤多次，室温干燥备用；
3)纤维复合材料制备
向烧杯中称取一定量的环氧树脂，加入一定量无水乙醇作为稀释剂，机械搅拌0.5h，加入一定量的1，3-二(氨甲基)苯固化剂，在60℃下真空脱泡5～10min，后将改性后的超高分子量聚乙烯纤维放入模具中，将环氧树脂注入模具中，在室温下固化成型后脱模，得到改性后的超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中过硫酸铵与苯胺的摩尔比为0.8∶1～1.2∶1。
3.根据权利要求1所述的一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中反应溶液的pH值为2～4。
4.根据权利要求1所述的一种利用单宁酸和聚苯胺构建氢键改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于利用单宁酸优异的粘附性使纤维上面带有羟基，再利用聚苯胺使之之间产生氢键，从而完成对纤维的界面改性；然后在进行材料复合时，环氧树脂基体的环氧基团一方面可以与固化剂的胺基反应，一方面可以与纤维上的氨基反应，从而达到增强超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂界面结合能力的效果。
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