芳纶纤维及其复合材料的研究进展.docVIP

NCCM一13复合材料——成本、环境与产业化 芳纶纤维及其复合材料的研究进展 郑玉婴傅明连王灿耀 (福州大学化学化工学院，福州，350002) 摘要本文简单介绍了纤维的发展历史；阐速了表面涂层法、化学改性 技术、等离子体表面改性技术等几种芳纶纤维表面改性方法的研究现状；概述 其应用情况。 关键词 芳纶纤维表面改性复合材料 1引言 芳纶(Kevlar)是由美国杜邦公司最先开始研制的一种大分子主链上由芳香环和酰胺键 构成的有机高性能纤维。自19世纪70年代初在美国核潜“三叉戟”c4潜地导弹的固体发动 机壳体上应用以来，以其高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能在航空航天领域得到了广 泛的应用。但是从芳纶的结构可知，它是刚性分子，分子对称性高，定向程度和结晶度高， 因而横向分子间作用变弱；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 。 2芳纶改性的研究现状 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。 2．1表面涂层法 表面涂层法是在纤维表面涂上柔性树脂，而后与基体复合。这层涂层可以钝化裂纹的扩 展，增大纤维的拔出长度，从而增加材料的破坏能，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。这类处理剂主 要是改善材料的韧性，同时又使材料的耐湿热老化性能提高。目前用于芳纶的涂层主要是饱 和、不饱和脂肪族酯类，包括SVF一200硅烷涂层、Estapol一7008聚氨酯涂层Izl等。对于提 高芳纶／环氧复合材料韧性来说，Estapol一7008是最有效的涂层。这种涂层在提高材料韧性 的同时，却不损失材料的抗拉强度。 2．2化学改性技术 化学改性方法是利用化学反应，在纤维表面引入可反应的基团，从而在与基体复合时产 生共价键，增加材料的界面性能。化学改性方法一般分为偶联剂改性、表面刻蚀和表面接枝。 (1)偶联剂改性技术 L复合材料性能表征与界面科学 偶联剂在化学结构上具有双官能团，作为分子桥在纤维一基体间形成共价键。有机钛口J 是改性芳纶纤维的一种偶联剂，可以提高芳纶／酚醛复合材料的韧性，在芳纶纤维表面引入 其重量2％的这类偶联剂可最大效率地提高材料的韧性，提高幅度可达18％，且材料的耐湿 热老化性能也得到改善14J。 (2)表面刻蚀技术 表面刻蚀技术是通过化学试剂处理芳纶，引起纤维表面的酰氨键水解，从而破坏表面的 结晶状态，使纤维表面粗化。一般表面刻蚀技术采用的化学试剂为酰氯。Tarantili【5 J、 Andreopouloss[61等人采用甲基丙烯酰氯的CCl4溶液对芳纶进行了处理，并研究了表面刻蚀芳 纶后，芳纶／环氧复合材料的力学性能。经过丙烯酰氯处理后的纤维，一方面，表面粗糙度 增加，增大了纤维与基体的啮合，同时除去了弱界面层，增加纤维／基体间的接触面积；另 一方面提高了纤维的表面能，使树脂更有效地润湿纤维，因而使改性后的芳纶／环氧复合材 料韧性提高80／0。另外C．Y,Yue采用乙酸酐刻蚀芳纶表面也使界面剪切强度从38MPa提高到 63MPa[”。 (3)表面接枝技术 表面接枝技术改性芳纶是化学改性方法中研究最多的技术。根据接枝官能团位置的不 同，可将表面接枝技术分为两大类：一是发生在苯环上的接枝反应；另一种则是取代芳纶表 面层分子中酰胺键上的氢的接枝反应。 ①苯环上的接枝反应 芳纶中苯环的邻一对位具有反应活性，可与某些亲电取代基团发生H的取代反应，因此 可在芳纶表面引入一些具有反应活性的极性基团，增加与基体的反应，提高材料的界面强度， 从而达到改善界面的目的。目前利用发生在苯环上的反应改善芳纶的方法有两类：一是硝化 还原反应引入氨基，另一类则是利用氯磺化反应引入氯磺酸基团，以便进一步引入活性基团。 ②酰胺上的H的取代反应 芳纶表面酰胺基团的H可以被其他亲电基团所取代而在纤维表面引入极性基团，如被异 氰酸酯类取代而引人氩基，也可以发生金属化反应引入具有反应活性的官能团改善纤维表面 状态，提高复合材料的力学性能。 本文采用化学方法在Kevlar纤维表面引入活性基团(异氰酸酯、已二酰氯等)，并用已 内酰胺进行封端稳定化处理，使其可以作为已内酰胺阴离子聚合的助催化剂，通过引发已内 酰胺阴离子聚合，实现Kevlar纤维表面的阴离子接枝PA6。这使该接枝聚合物与基体PA6 树脂是同类或有很大亲和性的聚合物，则Kevlar纤维表面的接枝聚合物与基体树脂有充分 的相容性。又接枝聚合物在Kevlar纤维和基