[发明专利]表面改性芳纶及其表面改性方法

说明书

本发明涉及一种表面改性芳纶及其表面改性方法，主要解决了芳纶与环氧树脂基体界面剪切强度低、复合材料层间剪切强度差的技术问题。本发明通过采用表面改性芳纶，包括以下组分：(1)芳纶；(2)无机表面涂层；所述无机表面涂层为硅酸盐水溶液浸渍芳纶表面经热处理脱水硬化后的产物的技术方案，较好地解决了该问题，可用于表面改性芳纶的工业生产中。

技术领域

本发明属于纤维表面改性领域，具体涉及一种表面改性芳纶及其表面改性方法。

背景技术

芳纶全称芳香族聚酰胺纤维，是目前世界公认的三大高性能合成纤维之一，已广泛应用在国防军工、航天航空、轨道交通、安全防护、环境保护和电子信息等众多领域。芳纶按聚合物结构可分为间位芳纶和对位芳纶。其中，间位芳纶主要是以功能性纤维形式用作高温过滤材料、阻燃材料和电绝缘材料等，而对位芳纶则由于大分子链结构高度对称，具有更高的强度、模量、耐热性和尺寸稳定性，主要用作增强材料，如光缆电缆补强、轮胎帘子线、高端防护材料、复合材料等。

芳纶用于复合材料的主要问题之一是层间剪切强度(Interlayer Shear Stress，ILSS)较低。未经表面处理的对位芳纶表面光滑，且由于苯环的π共轭效应，酰胺基团中的氢活性很差，难以同树脂基体形成良好的界面作用。为了提高对位芳纶与树脂基体的粘结性，必须对纤维表面进行改性。

芳纶表面改性方法主要有两大类：化学改性和物理改性。化学改性根据作用的方式不同大体可分为表面刻蚀和表面接枝，而物理改性主要有表面涂层、γ射线辐射、超声波浸渍和等离子处理。CN201210240025.X采用过氧化氢对芳纶表面进行活化处理，活化后芳纶复合材料的ILSS从40MPa左右提高到60MPa左右。CN201210290055.1采用氟碳硅烷偶联剂对芳纶表面进行处理，改性后芳纶复合材料的ILSS达到58MPa。CN201010108510.2采用低分子量异氰酸酯或缩水甘油醚对芳纶Ⅲ表面进行接枝改性，可以实现连续处理，但是需要使用有机溶剂，存在溶剂回收问题，改性后芳纶复合材料的ILSS约为50MPa。CN200610150924.5采用⁶⁰Co作为辐照源进行芳纶表面改性，复合材料ILSS达到72.9MPa，比改性前提高了约20％。但是改性在密闭容器中进行，难以实现连续处理。另外，处理过程中需要用到丙酮或乙醇类有机溶剂，存在环保问题。CN201210070232.5以酰胺类有机溶剂为超声波处理介质对芳纶表面进行处理，但处理后芳纶复合材料的ILSS提高幅度在10％以内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中芳纶与环氧树脂基体界面剪切强度(Interfacial Shear Stress，IFSS)低、复合材料层间剪切强度(ILSS)差的技术问题，提供一种表面改性芳纶，其表面含有硅酸盐水溶液脱水硬化所形成的无机涂层，具有表面改性芳纶与环氧树脂基体界面剪切强度高、复合材料层间剪切强度高的优点。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的芳纶表面改性方法。

本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的表面改性芳纶的应用方法。

为解决以上技术问题之一，本发明采用如下技术方案：一种表面改性芳纶，包括以下组分：

(1)芳纶；

(2)无机表面涂层；

所述无机表面涂层为硅酸盐水溶液浸渍芳纶表面经热处理脱水硬化后的产物。

上述技术方案中，所述硅酸盐的化学结构通式优选为M₂O·mSiO₂，式中，M为钠离子、钾离子或锂离子，m为SiO₂与M₂O的摩尔比。

上述技术方案中，所述m优选为2.4～3.7。

上述技术方案中，所述硅酸盐水溶液中优选含硅烷偶联剂。