芳綸Ⅲ表面改性及其與環(huán)氧復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高，力學(xué)性能的可設(shè)計(jì)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(fù)合材料采用的增強(qiáng)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因具有比強(qiáng)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(yīng)用于航空、航天、軍事、汽車、機(jī)械、電子電氣、石化等各領(lǐng)域。但芳綸其分子結(jié)構(gòu)上的酰胺基團(tuán)被芳環(huán)分離且與苯環(huán)形成了π共扼效應(yīng)，分子對(duì)

2、稱性高，結(jié)晶度高，導(dǎo)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(tuán)，芳綸纖維與樹脂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)不高，層間剪切強(qiáng)度小，芳綸Ⅲ在芳綸Ⅱ的基礎(chǔ)上一定程度上提高了纖維中二胺的含量，降低了對(duì)稱性和有序性，提高了復(fù)合材料的性能，提高了芳綸與環(huán)氧等基體結(jié)合的能力，但仍在一定程度上限制了該材料的應(yīng)用。由此可見，為了提高芳綸纖維復(fù)合材料的性能，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，尤其是國(guó)防武器國(guó)產(chǎn)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(jié)強(qiáng)度是當(dāng)前迫切需要解決的問題。
　　 系統(tǒng)研究了對(duì)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(xué)性能測(cè)試對(duì)改性前后的芳綸纖維進(jìn)行表征，結(jié)果表明，等離子體改性效果最顯著，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了等離子體處理時(shí)間、等離子體處理氣氛、等離子體處理功率幾個(gè)因素，最終確定了最佳等離子體處理工藝條件為：處理時(shí)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(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度可以達(dá)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(duì)于芳綸纖維表面性能的影響，研究結(jié)果表明：經(jīng)等離子體表面處理后，結(jié)晶度由58.27％下降到最低時(shí)的36.78％，芳綸纖維表面的O/C比明顯提升，由未處理時(shí)的0.27增加到處理后的0.40。通過對(duì)Cls譜峰進(jìn)行分峰擬合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間為7min時(shí)，纖維表面中的-C-C-基團(tuán)下降到最低值為51.4％，而此時(shí)-C-O

5、-、-C=O和O-C=O三個(gè)基團(tuán)的含量分別為12.1％、5％、11％，較之前的數(shù)據(jù)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(rùn)性增強(qiáng)，都有利于提高芳綸/環(huán)氧的界面結(jié)合性能。并探討了等離子體表面處理的作用機(jī)理。
　　 通過XPS對(duì)芳綸纖維表面C、O、N元素所占含量的分析、SEM對(duì)纖維表面形貌變化的觀察、潤(rùn)濕角測(cè)試檢驗(yàn)對(duì)纖維表面潤(rùn)濕性的

6、變化分析，研究了等離子體表面處理方法對(duì)芳綸纖維的表面處理效果的穩(wěn)定性。結(jié)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(tuán)，但仍存在明顯的退化效應(yīng)，且與微觀上芳綸纖維表面的元素組成、形貌、浸潤(rùn)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(yīng)該在處理后第一時(shí)間制備芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料，即使第一時(shí)間無法制備，存放時(shí)間也不宜超過3d。
　　 系統(tǒng)研究了等離子體處理對(duì)于芳綸/環(huán)氧界面的影響，并探討了不同等離子

7、體處理?xiàng)l件對(duì)界面的影響。氧氣等離子體處理能夠提高芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能主要是基于芳綸纖維與環(huán)氧樹脂基體間的化學(xué)鍵合作用和機(jī)械嵌合作用的協(xié)同效應(yīng)，在外加載荷導(dǎo)致復(fù)合材料破壞時(shí)的破壞形式為混合破壞。
　　 為驗(yàn)證芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料經(jīng)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(fù)合材料性能的變化。結(jié)果表明：紫外老化在160h范圍內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料的性能影響不大，熱氧老化在30℃、60℃、120℃三個(gè)不