芳綸Ⅲ表面改性及其與環(huán)氧復合體系的結構與性能研究.pdf

1、纖維增強聚合物基復合材料具有比強度和比剛度高，力學性能的可設計性，耐疲勞性能好，減振性能好，成型工藝性能好，生物相容性好等優(yōu)越性。樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。其中芳綸纖維增強樹脂基復合材料因具有比強度高、比模量大、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能被廣泛地應用于航空、航天、軍事、汽車、機械、電子電氣、石化等各領域。但芳綸其分子結構上的酰胺基團被芳環(huán)分離且與苯環(huán)形成了π共扼效應，分子對

2、稱性高，結晶度高，導致酰胺基上的H原子的活性很差，故芳綸纖維表面缺乏活性基團，芳綸纖維與樹脂基體的界面結合強度相對不高，層間剪切強度小，芳綸Ⅲ在芳綸Ⅱ的基礎上一定程度上提高了纖維中二胺的含量，降低了對稱性和有序性，提高了復合材料的性能，提高了芳綸與環(huán)氧等基體結合的能力，但仍在一定程度上限制了該材料的應用。由此可見，為了提高芳綸纖維復合材料的性能，滿足不同領域的應用要求，尤其是國防武器國產化現(xiàn)代化的迫切要求，芳綸纖維表面改性以改善纖維與樹

3、脂界面粘結強度是當前迫切需要解決的問題。
　　 系統(tǒng)研究了對芳綸Ⅲ的改性方法，先后嘗試了磷酸改性、偶聯(lián)劑KH550改性、乙酸酐改性、王水改性和等離子體改性。通過掃描電鏡和力學性能測試對改性前后的芳綸纖維進行表征，結果表明，等離子體改性效果最顯著，在此基礎上重點研究了等離子體處理時間、等離子體處理氣氛、等離子體處理功率幾個因素，最終確定了最佳等離子體處理工藝條件為：處理時間7min，處理氣氛為O2，處理功率為200W。按照該工藝條

4、件處理的芳綸與環(huán)氧復合材料的層間剪切強度可以達到69MPa左右，改性效果顯著。
　　 系統(tǒng)研究了等離子體表面處理對于芳綸纖維表面性能的影響，研究結果表明：經等離子體表面處理后，結晶度由58.27％下降到最低時的36.78％，芳綸纖維表面的O/C比明顯提升，由未處理時的0.27增加到處理后的0.40。通過對Cls譜峰進行分峰擬合，發(fā)現(xiàn)當等離子體處理時間為7min時，纖維表面中的-C-C-基團下降到最低值為51.4％，而此時-C-O

5、-、-C=O和O-C=O三個基團的含量分別為12.1％、5％、11％，較之前的數據有大幅提升。纖維表面變粗糙，有明顯的刻蝕痕跡，表面自由能由未處理前的45.4mJ/m2增加到了74.3mg/m2，改性效果顯著，纖維表面的浸潤性增強，都有利于提高芳綸/環(huán)氧的界面結合性能。并探討了等離子體表面處理的作用機理。
　　 通過XPS對芳綸纖維表面C、O、N元素所占含量的分析、SEM對纖維表面形貌變化的觀察、潤濕角測試檢驗對纖維表面潤濕性的

6、變化分析，研究了等離子體表面處理方法對芳綸纖維的表面處理效果的穩(wěn)定性。結果表明，等離子體表面處理方法雖然能較好地改善芳綸纖維的表面組成，引入含氧基團，但仍存在明顯的退化效應，且與微觀上芳綸纖維表面的元素組成、形貌、浸潤性的變化規(guī)律相吻合。為保證等離子體表面處理的效果，應該在處理后第一時間制備芳綸/環(huán)氧復合材料，即使第一時間無法制備，存放時間也不宜超過3d。
　　 系統(tǒng)研究了等離子體處理對于芳綸/環(huán)氧界面的影響，并探討了不同等離子

7、體處理條件對界面的影響。氧氣等離子體處理能夠提高芳綸/環(huán)氧復合材料的界面粘結性能主要是基于芳綸纖維與環(huán)氧樹脂基體間的化學鍵合作用和機械嵌合作用的協(xié)同效應，在外加載荷導致復合材料破壞時的破壞形式為混合破壞。
　　 為驗證芳綸/環(huán)氧復合材料經等離子體表面處理后性能的穩(wěn)定性，分別研究了熱氧老化條件下和紫外老化條件下復合材料性能的變化。結果表明：紫外老化在160h范圍內對于復合材料的性能影響不大，熱氧老化在30℃、60℃、120℃三個不