[发明专利]一种表面含氟的芳纶III纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于芳纶III纤维及其制备技术领域，具体涉及一种表面含氟芳纶III纤维及 其制备方法。

背景技术

由于纤维增强的树脂基复合材料一体化设计制造的飞行器部件比采用传统的金属 材料和方式制造的飞行器部件不仅可减轻重量20-30％，且使用和维修成本也比金属材 料降低15-25％，因而在航空航天领域得到了广泛的应用。据了解，目前树脂基复合材 料在飞行器中的用量已达其结构重量的50％以上。

虽然复合材料由于其质轻而在航空航天领域得到了广泛应用，但其力学性能还不 能完全满足航空航天领域使用的要求。而影响纤维增强的树脂基复合材料力学性能原 因主要有两个方面：一是纤维本身的力学性能还不够高；二是纤维与基体树脂的界面 相互作用不强。而纤维与基体树脂的界面相互作用不强，又主要与纤维表面活性有关。 因而，当纤维化学结构一定的情况下，如要提高复合材料的性能，比如复合材料的力 学强度，层间剪切强度等，就需要提高纤维表面的活性，以改善纤维表面与树脂界面 的相互作用力。

芳纶III纤维作为一种高强度高模量纤维，目前已成为制备航空航天先进复合材料 的增强介质。它具体是由对苯二胺、对苯二甲酰氯及5(6)-胺基-2-(4-胺基苯 基)苯并咪唑三种单体为原料，以二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮为溶剂经低温共聚 得到原液，再经过滤、脱泡、纺丝、热处理等纺丝工艺得到拉伸强度大于4.5GPa的芳 纶III纤维。当以该纤维为增强介质、环氧树脂为基体树脂制备得到的复合材料的层间 剪切强度虽在35MPa左右，且其环氧树脂浸胶丝的拉伸强度也在4.5GPa左右，拉伸 模量也为120-135GPa，但这些力学性能还不能满足航空航天技术发展对该类复合材 料力学性能更高的技术要求。

目前改善纤维表面活性，提高其表面与基体树脂界面相互作用力的主要方法包括： 电晕法，等离子体方法，碱或酸等化学处理法等，但这些处理方法都存在这样或那样 明显的不足。如用电晕法和等离子体方法处理后的芳纶III纤维的表面活性衰减较快， 活性稳定性不够；用碱或酸等化学方法处理后常会对纤维本身力学性能影响较大，且 不适于大规模的快速表面处理。并且这些方法处理后的芳纶III纤维，对树脂基复合材 料的增强效果并不理想。

直接表面氟化处理技术是近年来快速发展起来的一种有效的表面改性方法，它是 利用高反应活性的氟气作为氟化试剂对高聚物进行表面改性，且其制备的表面氟化聚 合物材料具有成本低，只在表面形成纳米层，不影响聚合材料本体的力学性能等优点。 目前主要用于对聚烯烃类聚合物进行表面处理，以提高聚烯烃类容器的阻隔性能。另 外也可用于对聚烯烃等材料表面进行活化处理，以提高其表面的可粘接性能。如专利 US72255561、US2006118988、CN1717438A公开了氧氟化表面处理的方法。这些方法 主要采用含氧和水蒸汽的氟气混合气对材料表面进行处理。虽然经氧氟化处理的材料 表面，其表面活性和剪切粘接强度明显提高，但由于其氟化混合气中含有氧气，因而 明显降低了氟化速率。同时由于其氟化混合气还含有水蒸汽，因而在氟化过程中产生 的氟化氢与水结合会对氟化设备造成严重腐蚀。

发明内容

本发明的首要目的是针对现有技术的不足而提供的一种表面含氟的芳纶III纤维。

本发明的另一目的是提供一种制备上述表面含氟芳纶III纤维的方法。

本发明提供的表面含氟的芳纶III纤维，其特征在于该纤维的表面含有碳-氟共价键 结构和羧、羟基基团，其全反射衰减红外光谱图在1100～1300cm^-1为碳-氟共价键的吸 收峰；2800cm^-1～3500cm^-1之间的宽峰以及1734cm^-1附近峰为羟基和羧基基团的吸收 峰，在X射线光电子能谱图的698eV结合能处有氟元素能谱峰，其表面与水的接触角 为60-82度，采用该纤维制备的复合材料层间剪切强度为47.3-55MPa，浸胶丝拉伸强 度为4.6-5.4GPa，拉伸模量为145-168GPa。