[发明专利]一种芳纶纤维表面改性方法

说明书

本公开属于芳纶纤维改性技术领域，具体涉及一种芳纶纤维表面改性方法及应用。本公开提供了一种硅烷偶联剂改性芳纶纤维的方法，包括表面超声清洗、表面络合反应、硅烷偶联剂表面接枝三个步骤。该方法采用络合剂(CaCl₂、LiCl、ZnCl₂等)处理引入‑Cl官能团，提高纤维表面粗糙度并形成络合结构，提高偶联剂在纤维表面的接枝效果，然后利用硅烷偶联剂(KH550、KH560、KH570)桥连作用，引入活性基团，降低纤维表面极性、活化纤维表面、改善纤维界面性能，提高芳纶纤维增强复合材料的力学性能。该工艺简单、高效、成本低，反应溶剂可多次重复使用，可实现大规模工业化生产。

技术领域

本公开属于芳纶纤维改性技术，具体涉及一种通过络合剂结合硅烷偶联剂对芳纶纤维表面进行二次改性的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

高性能纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域越来越受到青睐，先进复合材料的用量成为了航空航天技术的先进性标志之一。芳纶纤维作为一种优质的增强材料，具有耐高温、高模量、高强度、低密度、耐腐蚀等特点，其复合材料被广泛应用于国防工业、航空航天等领域。但是芳纶纤维分子链中酰胺基团与苯环构成大π键共轭结构，内旋位阻高。芳纶分子链中的原子间通过共价键结合，构成片状结构，其规整性极好而使得纤维连段排列整齐，赋予纤维很高的取向度和结晶度。高的结晶度和分子链高度的规整性，使得芳纶纤维表面光滑，化学惰性高，从而与基体的界面结合强度低。同时，芳纶还具有独特的超分子结构，如“皮-芯结构”，皮层和芯层之间结合力弱，导致纤维横向强度远远小于纵向强度。用于芳纶纤维的表面改性方法已经有很多，主要分为化学改性方法和物理改性方法以及其他方法。化学改性方法主要是表面刻蚀和表面接枝等，在纤维表面引入活性基团，运用化学键合或极性作用提高纤维与基体之间的结合强度，但是对纤维表面造成了严重的破坏，使得纤维本体强度明显降低。专利CN103088627B提供了一种对芳纶纤维表面进行处理的方法，用CaCl₂、LiCl或ZnCl₂溶液对芳纶纤维进行浸泡处理，通过形成粗糙表面。另外，采用硅烷偶联剂也是针对芳纶纤维进行表面改性的常用方法，王彦杰等人针对硅烷偶联剂改性芳纶工艺进行了研究，采用硅烷偶联剂溶液浸渍芳纶进行表面改性，并针对反应参数对改性结果的影响进行了研究。

发明内容

针对上述技术中的不足，本公开提供了一种针对芳纶纤维进行表面改性的方法，该方法相比现有技术中的方法更加简便，可以很好的改善芳纶纤维表面光滑、极性高、界面粘结强度较差的问题。由于化学改性对芳纶纤维的刻蚀作用会使芳纶纤维遭到破坏从而引起强度降低。本公开提供的改性方法，硅烷偶联剂接枝二次改性之后对芳纶纤维的强度几乎无影响，对纤维基体破坏作用小，制备而成的复合材料强度具有明显的提升。

为了实现上述技术效果，本公开提供了一种芳纶纤维表面改性方法，所述方法包括表面超声清洗、表面络合反应及硅烷偶联剂表面接枝反应。

由于络合剂不仅能破坏芳纶纤维分子链的规整性，使芳纶纤维表面形成沟槽，增加其表面粗糙度，为硅烷偶联剂提供了更大的反应面积，并且Li⁺或Ca²⁺离子能与O原子间发生络合作用，生成配位键，形成络合结构。这样在纤维表面引入了-Cl官能团，为硅烷偶联剂接枝提供了更多的反应位，进一步改善了硅烷偶联剂接枝芳纶纤维的效果，从而提高纤维与基体之间的界面结合强度。反应原理如图1所示。

优选的，所述表面超声清洗具体步骤如下：将芳纶纤维置于有机溶剂中超声清洗2～3h后再用水清洗后干燥。

进一步优选的，所述有机溶剂为丙酮或乙醇。

优选的，所述表面络合反应具体步骤如下：将芳纶纤维置于反应釜中，加入络合剂进行络合反应，反应完成后清洗并干燥得到络合后的芳纶纤维。