[发明专利]一种芳纶纤维改性方法

说明书

本发明公开了一种芳纶纤维改性方法，利用芳纶纳米纤维分散液改性芳纶短切纤维，在光滑的芳纶纤维表面构筑多层级微/纳粗糙结构，得到芳纶纳米纤维包覆的芳纶复合纤维，兼具高比表面积和机械强度、优异的耐温性，能够克服传统短切纤维表面光滑疏水、惰性强、活性基团少等问题，使其成为制备高性能复合材料的最佳构筑单元；以得到的芳纶纳米纤维改性的芳纶短切纤维为单一原料制备高性能芳纶纸，无需配抄芳纶浆粕纤维或芳纶沉析纤维，避免了芳纶纸组分维度差异大所致的纸张结构疏松、界面结合力差、机械强度和耐压强度低等问题，制备的芳纶纸具有致密的纸张结构、高强、高模以及优异的耐压强度，有望应用于先进电气绝缘、结构减重蜂窝材料等领域。

技术领域

本发明属于高分子纤维和造纸领域，具体涉及一种芳纶纤维改性方法。

背景技术

芳纶纤维(aramid fiber，AF)作为“三大高性能纤维”之一，具有高强度、高模量、优异的耐温性与化学稳定性，是近年来纤维高分子材料领域发展迅速、应用广泛的特种纤维之一。它既可作为结构材料承载负荷，又能作为功能材料发挥作用，广泛应用于个体防护、电子通讯、石油化工、航空航天等领域。然而，由于芳纶纤维表面光滑疏水、惰性强、活性基团少、亲水性差等纤维本身的特性，导致其在应用于树脂基复合材料等领域时存在着与基体之间的界面结合力弱，极大地影响了材料的综合性能。以芳纶纤维为原料制备的芳纶纸由于质量轻、绝缘、耐高温，可应用于先进电气绝缘、结构减重材料、国防军工等领域。由于芳纶短切纤维光滑的表面及较少的活性基团，导致其无法单独成纸，必须掺配芳纶浆粕、芳纶沉析等差别化芳纶纤维作为黏结材料，从而提高芳纶纸整体的性能。但是，这些组分维度差异大，在各级尺度上缺乏有效结合，纸张强度主要来源于芳纶纤维之间随机的物理搭接及极少量的氢键结合，造成芳纶纸存在诸多结构与性能缺陷，如结构疏松、界面结合力差、机械强度和耐压强度低、匀度差、性能不稳定等问题。因此，优化芳纶纸界面结合特性并改善其综合性能成为推动国产芳纶纸产业化应用与发展的关键之一。

为此，科研人员主要围绕芳纶纤维表面修饰增强和纸张组分设计与结构增强两方面开展了大量的工作。(1)芳纶纤维表面修饰增强主要包括化学改性(化学刻蚀、表面接枝、偶联剂改性等)和物理改性(原纤化处理和等离子体改性等)，旨在通过增加芳纶纤维表面活性基团含量或增大纤维表面粗糙度来提高其与基体的结合面积与结合强度，从而改善界面结合状况和芳纶纸强度性能。(2)纸张组分设计与结构增强主要包括添加“非芳纶类”外纤(聚酯、聚苯硫醚纤维等)混抄、树脂浸渍和热压增强等，旨在通过优化纸张三维结构从而提高芳纶纸强度性能。前人研究工作表明，这些增强方法在一定程度上都能改善芳纶纸性能，但受芳纶纤维自身特性、研究方法及手段等因素制约，得到的芳纶纸界面结合强度仍难以与普通植物纤维纸媲美，未能体现芳纶纤维本身优异的性能，而且往往会导致高能耗、高成本、工艺复杂、条件苛刻等一系列问题，最重要的是会引起纤维本身强度和耐温性下降，造成芳纶纸增强效果不理想、纸张发脆、柔韧性受损等弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芳纶纤维改性方法，以克服短切芳纶纤维表面光滑疏水、惰性强、活性基团少等问题，使其成为制备高性能复合材料极佳的构筑单元。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种芳纶纤维改性方法，利用芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液与芳纶短切纤维/水分散液共混实现芳纶纳米纤维原位质子化还原与复合，制得芳纶纳米纤维改性的芳纶纤维，其中，芳纶纳米纤维与芳纶短切纤维的质量比为(10～50)：(50～90)。

进一步地，所述芳纶短切纤维采用间位芳纶短切纤维或对位芳纶短切纤维。

进一步地，所述芳纶短切纤维/水分散液的制备过程如下：将芳纶短切纤维分散在水中，通过疏解搅拌分散15000r，得到质量浓度为0.5～1.5％的芳纶短切纤维/水分散液。

进一步地，所述芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液的制备过程如下：以回收的对位芳纶废料为原料，在氢氧化钾/二甲基亚砜/水体系中发生去质子化反应，得到质量浓度为0.2～1.0％的芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液。