芳纶纤维表面改性研究.doc

芳纶纤维表面改性研究
摘要:分析了芳纶纤维目前存在的问题,综述了芳纶的各种改性技术进展,包括表面涂层、化学改性、物理改性等,并展望了芳纶纤维改性技术的发展前景。关键词:芳纶纤维;表面改性;表面涂层;化学改性;物理改性
Progress in surface modification of
Aramid fibers
Abstract:The present problems of aramid fibers were analyzed,and the progress in the modification of aramid fibers was
reviewed。 The methods of modification include coating,chemical-modification,physical-modification,and so
on。 The trends of development in the modification of aramid fibers were pointed out。
Key words:Aramid fibers;surface modification;coating;chemical-modification;physical-modification
芳纶是目前世界上发展最快的一种高性能化学纤维,它是由美国杜邦公司最先开始研制的。其聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成,且其中至少85%的酰胺键直接键合在芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连,并且置换其中一个氢原子的聚合物称为芳香聚酰胺树脂,由它纺成的纤维总称为芳香聚酰胺纤维,我国定名为芳纶[1]。自20世纪70 年代初,芳纶在美国核潜艇“三叉戟”
C4潜地导弹的固体发动机壳体上应用以来,芳纶现在已经被广泛应用在很多行业。据统计,用于防弹衣、头盔等约占7%~8%;航空航天材料和体育材料约占40%;轮胎和胶带骨架等约占20%;高强绳索等约占13%。从间位芳香族聚酰胺的结晶结构分析测试可知,从酰胺平面测量得亚苯基环的两面角成30°,这就使得它的结构相当稳定,并且亚苯基-酰胺之间和C-N键旋转的高能垒阻碍了间位芳香族聚酰胺分子链,成为完全伸直链的构象。它晶体里的氢键作用强烈,使其化学结构稳定,这就赋予间位芳香族聚酰胺纤维优越的耐热性、阻燃性和耐化学腐蚀性。对位芳香族聚酰胺的结晶结构为假斜方晶系,大分子链在结晶区域是完全伸长的。 NH-O 的角度是160°,这[2]
样的结构大大增加了分子链之间的氢键密度。所以对位芳香族聚酰胺纤维具有高强度和高模量的突出性能,断裂强度为钢丝的3 倍。同时该纤维的热稳定性也很好,在150℃温度下收缩率为0,高温下仍能保持较高的强度。由于间位和对位芳香族聚酰胺纤维特殊的分子结构,导致它们也存在一些问题。芳纶是刚性分子,分子对称性高,定向程度和结晶度也高,因而横向分子间作用力变弱;另外,分子结构中存在大量的芳香环,不易移动,使其分子间的氢键变弱,横向强度低使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂。因此,为了充分发挥芳纶优异的力学性能,对芳纶表面进行改性处理,改善芳纶增强复合材料的界面结合状况成为材料学界研究的一个热点。目前,针对芳纶进行的表面改性技术,主要集中在利用化学反应改善纤维表面组成及结构,或借助物理作用提高芳纶与基体树脂之间的浸润性。本文在大量文献的基础上,对芳纶纤维的表面改性技术
进行综述。
1 表面涂层法
表面涂层法是在芳纶纤维表面涂上柔性树脂,然后与树脂基体复合,有利于芳纶纤维与基体形成良好的粘合界面。该涂层可以钝化裂纹的扩展,增大纤维的拔出长度,从而增加材料的抗破坏能力。于是在材料破坏时,由于在涂层上可以使应力释放和纤维拔出引起的能量吸收达到最大,进而提高材料的力学性能。这类涂层主要是改善材料的韧性,同时提高材料的耐湿热老化性能。目前用于芳纶的涂层主要是饱和与不饱和脂肪族酯类(如Estapol-7008聚氨酯、SVF-200硅烷等)、RFL(由间苯二酚、甲醛、氢氧化钠、丁吡胶乳、氨水、蒸馏水配制)、HRH(由白碳黑、间苯二酚、六亚甲基四胺、氧化锌、硬脂酸、硫磺、促进剂DM、促进剂TT 配制)、甲基丙烯酰氯化物等。
1998年,西安交通大学宋月贤等用不含有机溶剂的水溶液高活性改性环氧树脂(SJR-2)活化液和预缩合间苯二酚-甲醛树脂(SJR-1)配制的RFL 浸渍液处理芳纶帘线,获得了令人满意的黏合活化效果。此活性剂不含有机溶剂,工艺简单,可以避免纤维表面未固化的环氧树脂对人体的侵害。
2 化学改性
化学改性方法是利用化学反应,在纤维表面引入可反应的活性基团,从而在与基体复合时发生化学作用产