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芳纶纤维表面改性研究

芳纶纤维表面改性研究
芳纶纤维表面改性研究

摘要

论文介绍了芳纶纤维的种类、性能以及目前国内外芳纶表面改性的常用方法及研究进展。芳纶纤维高模量、高强度、低密度、耐氧化、耐腐蚀的性能使其在橡胶工业、信息技术产业、纺织业领域有着广泛的应用前景。由于表面的惰性限制了芳纶纤维的应用,因而其表面处理尤为重要,硝化/还原、氯磺化等化学改性和等离子体、电子束等物理改性均可改善芳纶纤维表面的物理和化学状态,提高其与基体间的粘合性能。

关键词:芳纶/环氧复合材料;等离子体:表面;浸润性

芳纶纤维表面改性研究

专业:纺织工程姓名:李鑫陵学号:0820301018 全芳香族聚酰胺泛指至少85%的酰胺键和两个芳环相连的长链合成聚酰胺,由此类聚合物制得的纤维称为芳香族聚酰胺纤维(Aramid fiber)。在我国此类纤维被称作芳纶。间位芳香族聚酰胺(PMIA)纤维称为芳纶1313;对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维称为芳纶1414。其中“1313、1414”代表酰胺基团与苯环相连接的位置。国外有关芳纶1313的商品主要有:美国杜邦的Nomex@、日本帝人的Conex@等;有关芳纶1414的商品主要有:美国杜邦的kevlar@、荷兰的Twaron@、日本帝人的Technora@等。

芳纶纤维是由美国杜邦公司最先研制的一种由刚性分子链形成的高结晶度、高取向度材料,具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切等一系列优异性能,在橡胶工业等领域广泛用于芳纶纤维增强复合材料。复合材料的性能与基体相、增强相及两相界面结合状况均有关,良好的界面结合可使复合材料更好地发挥力学性能。芳纶具有刚性分子结构,分子对称性高,横向分子间作用力弱,分子间氢键弱,横向强度低使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂;由于具有较高的结晶度,使得纤维表面光滑、无反应活性,导致其与大多数基体之间的界面粘附性很差,因此,要改善芳纶纤维与复合材料的界面结合情况,充分发挥芳纶优异的力学性能,就要对芳纶表面进行改性处理。

1 芳纶纤维的表面改性方法

芳纶的表面改性可以通过等离子体、超声波等物理技术或硝化/还原、氯磺化等化学方法,在纤维表面引入羟基、羰基等极性或活性基团,与基体间形成反应性共价键结合,从而提高纤维与基体间的粘合强度。

1.1 共缩聚改性

通过在芳纶分子链中引入具有不同结构的第三单体,在基本保持原有优良性能的前提下,改善芳纶纤维的溶解性、耐疲劳性等性能。

Bernhard等采用取代对苯二胺和二氯对苯二酰共缩聚反应,制备不同的刚性棒状芳香族聚酰胺,其主要晶体结构与对位芳纶类似,不同的是,在热处理中不会发生结构变化,苯环取代的空间位阻和电子效应导致纤维固态结构不同。

利用化学反应,在纤维表面引入活性基团,使纤维与基体复合时产生化学作用,形成更多的化学键,增加材料界面相容性。主要采用偶联剂改性、表面刻蚀和表面接枝等方法。

(1)偶联剂改性:偶联剂在化学结构上具有双官能团,在复合材料中起“桥梁作用”,一端与纤维表面反应,另一端与基体反应,从而增加界面的相容性。陈晔等采用硅烷偶联剂对芳纶进行表面处理,使纤维与橡胶基体间形成偶联剂桥联和缠结,获得较好的界面过渡区,改善了界面结构,消除了应力突变,使复合材料的横向抗拉强度明显提高,耐高温性有所增加。

(2)表面刻蚀法:刻蚀改性技术是通过化学或物理的技术处理芳纶,使其表面层的形貌、结构、极性产生变化,有利于复合材料基体树脂的浸润和粘合,从而提高界面的粘合强度。

人们常用酰氯类(甲基丙烯酰氯等)、酸碱类(乙酸酐等)等化学刻蚀剂来处理芳纶/环氧等复合材料。这样既可以侵蚀芳纶的表面结构,形成粗糙表面,增加了基体树脂对芳纶表面的粘合力;也可以通过水解反应在芳纶表面形成极性基团如-COOH、-OH等,促使纤维与基体间能形成共价键,提高了树脂基体对芳纶表面的润湿性。

Penn等采用硝酸或硝酸铵对Kevlar-29进行硝化处理在苯环上引入硝基,再将硝基还原成胺基。改性后的表面形貌和表面能并未发生变化,但硝化后Kevlar-29/环氧复合材料的界面抗剪切强度则有了很大的提高。

(3)表面接枝法:苯环上的接枝反应主要有两种:一种是硝化还原反应引入氨基,另一种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。采用氯磺酸处理Kevlar,即先在纤维表面引入氯磺基,再进一步转化为引入羟基、羧基、胺基等活性基团。

袁海根等先用二氯乙烷、无水乙醇等清洗Kevlar29,然后再用二甲基亚硫酰钠(SMSC)的二甲基亚砜(DMS0)溶液处理,最后再把已NaA+化的纤维分别放入氯丙烯和环氧氯丙烷中反应10min即可。这样就在Kevlar29纤维表面接枝上

CH2=CH-R-基团结构,表层部分分子上的二级酰胺上氢原子已被烯丙基所取代。实验测得其拔出力和界面剪切强度有所提高,且界面剪切强度提高明显。

通过溅射作用,使纤维表面变得更为粗糙,纤维的接触面积增大,从而增加纤维与聚合物基体间的摩擦力,提高界面间粘附性。

(1)等离子体处理技术

当物质的温度从低到高变化时,物质将逐次经历固体、液体和气体三种状态,当温度进一步升高时,气体中的原子、分子将出现电离状态,形成电子、离子组成的体系,这种由大量带电粒子(有时还有中性粒子)组成的体系便是等离子体。根据电子温度和离子温度的不同关系,它又可以分为高温等离子体和低温等离子体。一般它们可以对纤维进行物理和化学的改性。采用空气/水、四氟化碳/氧气、氮气、空气等进行等离子体处理并结合浸渍处理技术,可显著提高芳纶帘线与橡胶的粘合性,同时具有操作简便、不污染环境的特点。

Wim等采用氩气对芳纶纤维进行等离子处理后,利用等离子聚合技术,制备等离子聚合物薄膜,使纤维粘附性有很大提高。沉积等离子薄膜,可以在纤维表面引入多种官能团,当纤维与基体复合时,基体与这些官能团发生交联反应,使材料的性能有很大提高。

(2)超声波改性:利用超声波技术,通过增加纤维表面极性基团的含量和纤维表面的粗糙度,来提高界面性能,是一种对纤维无损害、能够提高材料机械性能的有效方法。

Liu等利用超声波技术对芳纶进行改性,制备了环氧复合材料,使层间剪切强度达到64.5MPa,提高12.9%,拉伸强度达到1.72GPa,提高12.9%。

(3)γ 射线改性

这是近年来一种新型的改进技术,该方法不需催化剂或引发剂,可在常温下进行反应。γ射线对芳纶进行表面接枝以及纤维内部微纤产生交联反应,从而提高纤维本体强度及其润湿性。

Zhang 等分别在氮气和空气气氛下,利用Co60对芳纶纤维进行γ辐射。改性后的芳纶与环氧基体复合后,层间剪切强度由60.59MPa分别提高至71.3MPa和70.1MPa,增长了17.7%和15.8%。γ辐射增加了纤维表面的活性基团,使纤维的表面粗糙度和润湿性有显著提高,增加了表面自由能,且对纤维无损害,是一种可以用于工业生产的有效方法。

另外,还有人采用紫外线等方法对芳纶进行表面改性,也取得了一定的效果。

1.4 其他改性方法

(1)稀土改性剂改性:稀土改性剂通过化学键吸附到芳纶纤维的表面,由于具有较大的配位数,可以与活性官能团(-COOH等)形成配位键,使纤维表面活性官能团浓度增加,从而可以更好地与基体结合。

Wu等采用稀土改性剂对芳纶表面改性后,材料拉伸强度提高13.5%,层间剪切强度提高12.5%,界面剪切强度由22.6MPa提高到30.2MPa,获得了优异的力学性能。但稀土含量过多,会在纤维表面形成稀土的盐晶,成为杂质,影响芳纶纤维与环氧树脂之间的界面粘附性。

2 结束语

芳纶纤维具有耐腐蚀、耐磨损、热稳定性好、低电导等诸多优良特性。作为新的纤维增强材料,尽管开发初衷是用于航空、航天和军需工业,但现已逐渐向橡胶工业、信息技术产业、纺织业等多种领域扩散,成为一种现代化社会中不可缺少的高性能纤维。然而由于表面光滑、无反应活性,芳纶纤维只有经表面处理后,才能与基体形成良好的界面层,更好地发挥芳纶增强复合材料的综合性能。目前芳纶纤维改性以化学方法居多,化学处理芳纶纤维的效果比较显著,可以改善橡胶复合材料的韧性,提高材料的界面剪切性能。但化学方法操作复杂,对环境污染大,且对芳纶纤维本体性能损害较大。有些化学改性技术的反应时间较长,不适宜连续制备,只能进行少量处理;而有些则因反应速度快而不易控制,极易损伤纤维,使材料的拉伸性能降低。因此,化学方法改性很难实现工业化。采用冷等离子体或超声技术对芳纶纤维进行物理改性,省去了湿法化学处理工艺中不可缺少的烘干、废水处理等工序,具有节省能源、对环境友好、可连续化操作及处理成本低等优点,其作用深度仅涉及纤维表面几十纳米的薄层,能显著改善界面性能而不影响材料本体。因此,采用冷等离子体和超声技术等对芳纶纤维进行物理改性具有广阔的发展前景。

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碳纤维表面改性

碳纤维表面处理研究现状

碳纤维表面处理研究现状 摘要:综述了碳纤维的应用领域,当前国内外的碳纤维的生产状况,分析了各种碳纤维表面处理的研究现状以及各方法的优缺点。分析结果表明:国外对我国碳纤维生 产进行了技术封锁,我国工业化碳纤维生产与日本等国有较大差距。电化学氧化法对碳纤维表面处理效果较好,处理后碳纤维表面活性基团数量明显增多,生产条件易于控制,该方法很好应用于工业生产。 关键词:碳纤维;表面处理;电化学氧化法; 引言 随着国防科技要求的不断提高,航天航空、军事武器等高科技设备对材料的性能要求的提高,碳纤维复合材料以其耐高温,耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、高比强度等特点被广泛的应用于这些领域。国外碳纤维材料生产研发较早,现今以日本,美国等国家的生产技术领先于世界。 碳纤维按其加工的先驱体不同可以分为:粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基(PAN)碳纤维。碳纤维作为一种增强相与金属、陶瓷、树脂等结合使复合材料的性能得到很大提高。碳纤维表面的活性基团较少,表面光滑,为更好的与基体材料结合,需要在材料复合前对纤维进行一定表面处理。碳纤维表面处理按当前的研究现 状可以分为氧化法和非氧化法。在此对纤维的生产状况做出一些介绍以及纤维表面处理的各种方法做比较。 1碳纤维应用领域及国内外生产状况 碳纤维复合材料具有卓越的物化性能,被广泛应用于航天航空、国防军事、体育用品、风能发电、石油开采以及医疗器械⑴。 碳纤维被用于制造飞机、航天器、卫星等,因碳纤维的轻质、高强度等特点,飞行器的噪音小,飞行所需的燃料消耗降低。据有关报道,飞行器每降低1kg的质量,运载飞行器的火箭可以减轻500kg。航天航空领域碳纤维的使用量从2008年的8200t, 到2010年的1万t,预计今年将达到1.3万t。在飞机的制造中,纤维复合材料应用比例都

碳纤维表面改性开题报告

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CPE、 MBS、ACR 抗冲改性效果的对比

CPE、 MBS、ACR 抗冲改性效果的对比 ------兼谈硬质聚氯乙稀型材抗冲改性剂的应用技术 姜铁竹龚以行韩风董军宁 为了提高产品的抗冲击性能,在生产过程中要添加抗冲改性剂。用于硬质PVC型材行业的抗冲改性剂主要有CPE、MBS和ACR。其中CPE、ACR改性剂的分子结构中不含双键,耐候性能好,广泛用于户外建筑材料。目前就CPE和ACR对PVC冲击改性的效果讨论很多,国外对ACR性能的推荐,除强调它对低温冲击强度的大幅度提高外,还强调它对耐候性、加工性能的改性,而CPE对加工温度的敏感性也已被生产实际所证实。因此,目前在欧洲、美国以丙稀酸酯为主导来改进PVC的抗冲击性。在我国,由于只有少数厂家生产抗冲ACR改性剂,品种和牌号均不能满足市场需要,而且质量尚欠稳定,价格偏高。因而,目前我国绝大多数(90%)异型材厂仍以CPE作抗冲改性剂,CPE依然占主导地位,丙稀酸酯应用较少,还有的厂家采用MBS。在此,我们对CPE与ACR、MBS进行一下对比试验,对它们进行全面的了解,评价各项性能孰优孰劣,以便扬长避短,合理使用。 实验部分 1、实验用主要原料、规格: (1)树脂:聚氯乙稀PVCSG-5型,潍坊亚星化学股份有限公司产。 (2)抗冲击改性剂:CPE:型号3135,潍坊亚星化学股份有限公司产。ACR:KM355P,吴羽化学公司产品。MBS:台湾产。 (3)稀土稳定剂:型号REC-E,广东广洋高科技实业有限公司产。 (4)钛白粉:型号R105,美国杜邦公司产。 (5)轻质碳酸钙:淄博华信化工股份有限公司产。 (6)加工助剂:ACR-201型,山东曙光集团塑胶制品厂产。 2、实验用主要设备及测试仪器: (1)高速混合机:型号GH-10DY,桨叶转速1250/2500转/分,北京华新科塑料机械有限公司产。 (2)哈克密炼机和挤出机:德国哈克公司产。 (3)万能制样机:河北承德试验机厂产。 (4)电子拉力试验机:DXLL-3000型,上海化工机械四厂产。 (5)冲击试验机:河北承德试验机厂产。 3、实验流程及条件: 实验流程:配料→捏合→挤出→制样→测试 PVC中各种助剂用量如表1所示。 是变量。 (1)捏合:将定量的PVC与助剂倒入捏合机内,高速运转,物料温度达

碳纤维施工工艺介绍

碳纤维加固混凝土结构施工工艺 碳纤维复合材料具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性和耐久性好等优点,碳纤维片加固补强混凝土结构的应用研究始于 20 世纪 80 年代美国、日本等发达国家,进入 20 世纪 90 年代中后期我国的许多科研机构和企业也相继进行了这方面的试验研究。 目前,在我国的北京、上海、天津、江苏、福建等许多地区的桥梁和工民建工程中得到了广泛的应用。其中有些是由于意外事故而导致结构或构件的承载能力而需补强加 固的;有些是由于混凝土强度或配筋不足而需补强加固的;有些是由于结构或构件达到或接近使用年限而需加固的;还有部分建筑是未进行抗震设防的,满足不了《建筑抗震鉴定标准》 GB50023-95 要求,需进行抗震加固。中国革命历史博物馆(以下简称“革历博”)就是属于后两种情况,进行综合比较后选择了碳纤维粘贴抗震加固的方式。下面结合“革历博”具体工程实例谈一谈碳纤维加固混凝土结构的 施工工艺。 ?碳纤维片加固简介 ( 1 )特点 ①高抗拉强度、高弹性模量。 ②施工方便,无需任何夹具、模板,能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸,可多层粘贴,并能有效地封闭混凝土的裂缝;

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PBO纤维表面改性

PBO纤维和树脂基体间TIFSS提高,但过多的偶联剂会导致偶联剂交联层过 厚,反而会TIFSS 降低.而等离子对纤维表面的刻蚀作用首先作用在偶联剂上,使得偶联剂形成接枝交联层,该偶联剂层对纤维能起到一定的保护作用,因此PBO纤维的σ下降的不多。 分析可知,偶联剂与等离子结合起来改性的工艺条件是:A一187偶联剂的含量为2%,氩气低温等离子处理的时间为2 min ,压力为5Opa,功率为30W。 在所选择的偶联剂中,A一187型偶联剂对提高PBO纤维与环氧树脂间Γ IFSS 效果最好,偶联剂的最佳的含量2%.(2)当A- 187含量为2%,氩气低温等离 子处理条件为2min,30W,50Pa时,改性后的PBO纤维的Γ IFSS 胂高达lO.44MPa, 相对于仅用偶联剂A-187改性的Γ IFSS 提高了52%,相对于原丝的Γ IFSS 提高了 78%。PBO纤维的浸润性也得到了很大的改善。(3)氩气低温等离子结合偶联剂

改性后的PBO纤维随着时问的推移,Γ 的下降不明显;接触角增大的幅度也 IFSS 不明显,其变化趋向于平稳,还略有下降趋势。氩气低温等离子体结合偶联剂改性的PBO纤维的衰减效应不明显。 接枝液常选用具有极性基团的烯类单体,其与树脂基体具有较好的相容性,能够与等离子体在纤维表面产生的活性中心发生反应。单体在纤维表面接枝后,可增强纤维表面和树脂基体间的相互作用,从而增强了复合材料的界面性能。 纤维是一种高性能纤维,但是由于它表面过于光滑,纤维表面活性又低,没有活性基团,因此与树脂基体的界面粘接性能差,一般比纤维低。所以需要对纤维表面进行处理,使纤维表面粗糙,提高表面自由能,增加纤维表面极性官能团数量,从而提高纤维与树脂基体的界面粘接强度。据资料报道,美国道化学公司采用活性等离子体处理方法在实验室对纤维进行表面处理,其中氧等离子处理使界面剪切强度邓提高了欧洲专利〕报道,采用气体三氧化硫对纤维进行磺化改性,通过在纤维表面引人磺酸基团,增加纤维表面极性,可以有效改善纤维表面的润湿性能,使得纤维与环氧树脂间界面剪切强度提高西安交通大学通过使用不同的硅烷类偶联剂对纤维进行涂覆,改性后的纤维与树脂基体间的界面剪切强度可以提高左右石佩玉等人也通过电子束辐射改性纤维,结果表明纤维和橡胶基体间的界面剪切强度可提高。本文研究了对纤维表面进行电晕放电处理后,纤维环氧复合材料缠绕成型环层间剪切强度的变化情况。 硫酸处理过的PBO纤维虽然强度没有盐酸处理过的纤维强度下降的多,但强度离散性是这几种介质处理后最大的,从图3一26看出在硫酸中纤维的破坏形式不同于在盐酸中,它是以原纤从纤维主体上剥离开始的。这可能是因为PBO 聚合物可以溶于质子酸的缘故,PBO分子链本身相互作用力很弱,而原纤间微弱

电化学处理对碳纤维表面改性的研究

电化学处理对碳纤维表面改性的研究 摘要:简要介绍了碳纤维表面电化学处理的作用和工艺,分析了电化学处理效 果的影响因素,及其对纤维力学性能和层间剪切强度的影响。 关键词:电化学处理;电解;层剪;刻蚀 引言 碳纤维表面经过电化学处理,可以提升其与树脂基体的结合牢固性,但同时会牺牲一定 的力学性能。 1 电化学处理的作用 纤维经过高温炭化工序后,表面缺少活性基团,导致其与树脂的结合效果差,表现为层 间剪切强度(以下简称“层剪”)低。当纤维-树脂复合材料受力时,由于纤维与树脂结合力弱,外力并不能很好地从树脂传递到纤维上,使得整体承载能力降低。经电化学处理后,纤维表 面发生氧化反应,生成羰基、羧基等不饱和含氧官能团,增强了纤维与树脂之间的化学键合力,使两者结合得更牢固。另外,电化学处理对纤维表面有刻蚀作用,增加了粗糙度,从物 理方面增强了纤维与树脂的结合性。 2 电化学处理的原理 电化学处理过程实际上是一个将电能转化为化学能的过程,利用碳纤维的导电性,将其 作为阳极,发生氧化反应,在纤维与阴极之间充满电解液,然后通入直流电构成完整回路。 在电压作用下,水或OH-在纤维表面放电(酸性和中性电解液主要是水,碱性电解液主要是OH-),产生活性氧对纤维表面进行氧化,最终生成所需的含氧官能团。 3 影响电化学处理的因素 影响电化学处理效果的因素有很多,如电解质的种类、浓度、温度,处理时间和电流密 度等。其中处理时间可通过走丝速度来调节,各纤维生产商工艺定型后走丝速度一般就已固定,不再做调整,因此处理时间在此不再讨论。 3.1 电解质种类 不同种类电解质对纤维表面的电化学处理效果有较大差异,即使浓度相同,电导率不同,则电流密度不同;另外,酸/碱度不同,则氧化效果不同,一般酸性电解质的氧化效果强于碱性电解质。 3.2 电解液温度 电解液温度会影响电化学反应的难易程度和反应速度,且温度越高,反应越容易发生, 反应速度越快。经研究发现,温度的升高会使水的析氧、析氢反应更早、更快地发生,单位 时间产生出更多的活性氧,使得纤维表面的氧化反应更为剧烈。 3.3 电解液浓度 电解液浓度会影响电化学反应的速度,且浓度越大,反应速度越快,但不会影响其发生 的难易程度。经研究发现,浓度越高,电解液的析氧、析氢反应越剧烈,单位时间产生的活 性氧越多,表现为氧化反应的速度快。 3.4 电解液电流密度 3.4.1 电流密度对纤维表面含氧官能团的影响 经研究发现,未经电化学处理的纤维表面O的存在形式主要是C-O;而经过电化学处理 的纤维表面碳环被打开,C-C先被氧化成C-O,再被氧化成C=O和-O-C=O,生成羰基、羧基 等含氧官能团,即C-O的数量先增加后减少,C=O的数量持续在增加。我们可用C-O和C=O 的比例来判断纤维表面的氧化程度,也可用来评估电解质的氧化能力。 需要注意的是,随着电流密度增加,酸性电解液单位时间在纤维表面生成的C=O和-O- C=O等不饱和官能团多于碱性电解液,即酸性电解质的氧化效果强于碱性电解质。纤维厂商 往往根据自身产品特点选用合适的电解质,如石墨纤维因表面质地紧密,需采用NH4H2P04 等酸性电解质提供更强的氧化效果,而普通碳纤维则采用NH4HC03等弱碱性电解质即可。 3.4.2 电流密度对纤维表面刻蚀的影响 若采用碱性电解液,氧在较低的电流密度作用下即可析出,OH-在纤维表面产生大量的活

【CN110042665A】一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158668.1 (22)申请日 2019.03.01 (71)申请人 中国科学院宁波材料技术与工程研 究所 地址 315201 浙江省宁波市镇海区中官西 路1219号 申请人 中国科学院大学 (72)发明人 陈鹏 刘向哲 王魁  (74)专利代理机构 杭州君度专利代理事务所 (特殊普通合伙) 33240 代理人 朱亚冠 (51)Int.Cl. D06M 15/61(2006.01) D06M 13/513(2006.01) C08G 73/06(2006.01) D06L 1/02(2006.01)D06M 101/20(2006.01) (54)发明名称一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法(57)摘要本发明公开一种表面改性超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。所述改性UHMWPE纤维的组成从外到内依次为:PDA涂层、UHMWPE纤维内层。其中,活化PDA涂层由4~8层活化PDA粒子组成,具有稳定疏松多孔结构。活化PDA涂层与UHMWPE 纤维存在强烈的非共价键作用;活化PDA涂层中,同层或非同层PDA粒子间通过与硅烷偶联剂发生化学反应生成的共价键连接在一起,形成稳定的活化PDA涂层结构。本发明利用投入的硅烷偶联剂与多巴胺的摩尔比,控制PDA的粒径,制备出疏松多孔PDA涂层;利用搅拌速率获得厚度适中的PDA层,利用合理投料方法获得稳定的活化PDA层 结构。权利要求书2页 说明书10页 附图1页CN 110042665 A 2019.07.23 C N 110042665 A

超高分子量聚乙烯纤维表面改性技术研究现状

为了解决UHMWPE纤维与基体结合粘结性差的问题,长期以来各国的学者作了许多相关的研究,也取得了一定的进展。一些常用的方法主要有等离子处理,电晕放电处理,辐照处理以及氧化法处理等等。 1 等离子处理 等离子体处理由于仅作用在材料表面有限深度内(几个分子),对纤维的力学性能不会有太大的影响,因而受到了人们的关注。等离子体处理UHMWPE纤维表面的方法分为低温等离子体处理和等离子体引发接枝表面处理两种方法。 韩国的Sung In Moon,Jyongsik Jang 研究了氧气等离子处理后UHMWPE与乙烯基酯树脂的粘结性能的变化,他们发现处理后的纤维与未处理的纤维比较,横向拉伸强度提高,这表明复合体的界面粘结性能得到了改善,且通过SEM观察发现纤维表面产生很多微陷,这有利于纤维与树脂之间的机械互锁作用,同时他们用有限元分析的方法研究了UHMWPE与基体之间力

的传递。 Hengjun Liu等人采用氩气对UHMWPE 纤维进行等离子处理,研究结果显示处理后的纤维耐磨性和硬度都得到了提高,同时其表面的润湿性也得到了提高。之后的研究中他们又将UHMWPE在氧气等离子体在微波电子回旋共振系统中进行处理研究纤维性能的改变,他们发现纤维的硬度和耐磨性都得到了提高的同时纤维的表面产生了许多含氧的活性基团,增加了纤维与基体的润湿性和粘结性。 Zhang YC等人针对超高分子量聚乙烯纤维表面能低与基体结合性能差的缺点,采用了在常压下对纤维进行等离子处理改性的方法,实验中采用的纤维是表面包裹有纳米二氧化硅的UHMWPE纤维,等离子处理所用的载气为氩气和氧气的混合气体(100:1),处理后纤维的表面能明显提高与基体的润湿角减小,通过红外光谱分析后发现在纤维表面产生了很多的含氧活性基团,大大提高了其与树脂的结合性能。

碳纤维力学性能论文

本科毕业论文 论文题目:PAN基碳纤维碳酸氢铵电解氧化表面处理研究 姓名:翟姣姣 学号:20140073110 院(系、部):化学工程与生物技术学院 专业:化学 班级:2014级化接本 指导教师:臧红霞副教授 完成时间:2016 年 4 月

摘要 PAN基碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料,是利用各种有机纤维在惰性气体中,经过低温氧化、低温碳化及高温碳化而制的。为了得到高性能碳纤维需进行表面处理,表面处理是高性能碳纤维制备的重要环节之一。本文主要以5%的碳酸氢铵溶液为电解液,采用阳极氧化对PAN基碳纤维表面进行氧化处理,通过对碳纤维改性前后层间剪切强度、拉伸强度等力学性能进行对比分析,分别探讨了在恒流模式下调节电解电压和恒压模式下调节电解温度对PAN基碳纤维力学性能的影响。结果表明:在阳极氧化过程中随着电压强度的提高,碳纤维的拉伸强度、层间剪切强度呈现先上升后下降的趋势。随着温度的不断提高,碳纤维的拉伸强度呈现先下降后上升再下降的趋势、层间剪切强度呈逐步增大的趋势。 关键词:PAN基碳纤维;表面处理;电化学氧化;力学分析

Abstract PAN based carbon fiber is a fiber material in more than 90% of the mass fraction of carbon in the chemical composition,it is the use of various kind of organic fibers in an inert gas, after oxidation at low temperature, low temperature and high temperature carbonization and system.In order to get high-performance carbon fiber need to surface treatment, surface treatment is one of the important links of the preparation of high carbon fiber. In this paper, with5% of the ammonium bicarbonate solution as the electrolyte,oxidation on the surface of PAN based carbon fibers and oxidation treatment, through carries on the contrast analysis of carbon fiber before and after modification interlaminar shear strength, tensile strength and other mechanical properties were analyzed,in the constant, discussed under the mode of constant current and constant voltage electrolysis voltage mode electrolytic temperature on mechanical properties of PAN based carbon fiber effect.The results showed that with the increase of the voltage in the process of anodic oxidation,carbon fiber tensile strength,shear strength between the layers of first after rising downward trend.With the constant improvement of the temperature,the tensile strength of carbon fiber,showed a trend of rise and fall after the first drop,interlayer shear strength have been gradually increasing trend.With the increase of temperature,the tensile strength of carbon fibers showed a trend solid content properly. Keywords: pan-based carbon fiber;surface treatment;electrochemical oxidation;Mechanics analysis

碳纤维表面改性研究进展(1).pdf

2015年3月化学研究111第26卷第2期 CHEM ICAL RESEARCH http ://hxya cbpt. cnki. net. 碳纤维表面改性研究进展 刘保英1,2,王孝军3,杨杰1,3倡,丁涛2倡(1.四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065;2.河南大学化学化工学院,河南开封4750 04;3.四川大学分析测试中心,四川成都610064) 摘要:碳纤维因其优异的综合性能常被用作树脂基体的增强材料.然而由于碳纤维与树脂基体之间的界面结合性能较差,其增强的复合材料的力学性能往往与理论值相差甚远,因此必须对碳纤维进行表面改性,以提高其与聚合物基体的界面粘结性能.本文作者综述了国内外关于碳纤维表面改性技术的研究进展,概述了涂层法、氧化法、高能辐射法等改性方法对碳纤维增强复合材料界面强度的改性效果. 关键词:碳纤维;表面改性;研究进展 中图分类号:O64文献标志码:A文章编号:1008-1011(2015)02-0111-10Research progress of surface modification of carbon fiber LIU Baoying1,2 , WANG Xiaojun3 , YANG Jie1,3倡 , DING Tao2倡 ( 1 . Colle ge o f Poly mer Science & Engineering , Sichuan Universit y , Cheng du 610065 , Sichuan , China ; 2 . Colle ge o f Che m istr y and Che m ical Engineering , H enan University , K ai f eng 475004 , H enan , China ; 3 . A naly tical & Testing Center , Sichuan University , Cheng du 610064 , Sichuan , China) Abstract : Carbon fiber (CF) has been widely used as a reinforcement of polymer composite due to its excellent comprehensive performance .However ,the strength of CF reinforced resin ma‐ trix composite is always much lower than the theoretically predicted value due to smooth sur ‐face and chemical inertness of carbon fiber w hich lead to a poor interface between CF and res ‐ ins .Thus ,the research on surface modification of carbon fiber is very important in the compos ‐ ites applications .This article presents an overview of some surface modification methods of CF ,such as coating method ,oxidation process and high‐energy radiation treatment ,and intro‐ duces the modified effect of each method on the interfacial strength of carbon fiber reinforced polymer composite . Keywords :carbon fiber ;surface modification ;research progress 碳纤维(CF)以其高比强度、高比模量、小的线膨胀系数、低密度、耐高温、抗腐蚀、优异的热及电传导性等特点,被称为新材料之王,常用作高性能树脂基复合材料的增强材料,广泛应用于飞机制造、国防军工、汽车、医疗器械、体育器材等方面[1-2].工业化 收稿日期:2014-09-15. 基金项目:河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A430042).作者简介:刘保英(1986-),女,讲师,研究方向为聚合物基复合材料改性研究倡通讯联系人 E mail ppsf scu edu cn .,‐ :@..,dingtao @ henu edu. cn..生产的碳纤维按前驱体原料的不同可以分为:聚丙烯腈基(PAN‐based)、黏胶基、沥青基碳纤维和气相生长碳纤维[2-6].与另外3种碳纤维相比,PAN基 碳纤维生产工艺简单,产品力学性能优异,产量约占全球碳纤维总产量的90%以上[5].自1962年问世以来,PAN基碳纤维取得了长足的发展,成为碳纤维工业生产的主流[7]. 由于碳纤维原丝表面由大量惰性石墨微晶堆砌而成,所以原丝表面呈非极性[8-9],表面能小,与树脂基体的浸润性差,界面结合性能差.此外,高性能 DOI :1014002/.j hxya.2015.02.001.|化学研究,2015,26(2):111-120

芳纶纤维表面改性研究

芳纶纤维表面改性研究进展 摘要:分析了芳纶纤维目前存在的问题,综述了芳纶的各种改性技术进展,包括表面涂层、化学改性、物理改性等,并展望了芳纶纤维改性技术的发展前景。关键词:芳纶纤维;表面改性;表面涂层;化学改性;物理改性Progress in surface modification of Aramid fibers Abstract:The present problems of aramid fibers were analyzed,and the progress in the modification of aramid fibers was reviewed。The methods of modification include coating,chemical-modification,physical-modification,and so on。 The trends of development in the modification of aramid fibers were pointed out。 Key words:Aramid fibers;surface modification;coating;chemical-modification;physical-modification 芳纶是目前世界上发展最快的一种高性能化学纤维,它是由美国杜邦公司最先开始研制的。其聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成,且其中至少85%的酰胺键直接键合在芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连,并且置换其中一个氢原子的聚合物称为芳香聚酰胺树脂,由它纺成的纤维总称为芳香聚酰胺纤维,我国定名为芳纶[1]。自20世纪70 年代初,芳纶在美国核潜艇“三叉戟”C4潜地导弹的固体发动机壳体上应用以来,芳纶现在已经被广泛应用在很多行业。据统计,用于防弹衣、头盔等约占7%~8%;航空航天材料和体育材料约占40%;轮胎和胶带骨架等约占20%;高强绳索等约占13%[2]。从间位芳香族聚酰胺的结晶结构分析测试可知,从酰胺平面测量得亚苯基环的两面角成30°,这就使得它的结构相当稳定,并且亚苯基-酰胺之间和C-N键旋转的高能垒阻碍了间位芳香族聚酰胺分子链,成为完全伸直链的构象。它晶体里的氢键作用强烈,使其化学结构稳定,这就赋予间位芳香族聚酰胺纤维优越的耐热性、阻燃性和耐化学腐蚀性。对位芳香族聚酰胺的结晶结构为假斜方晶系,大分子链在结晶区域是完全伸长的。 NH-O 的角度是160°,这

芳纶纤维表面改性研究

摘要 论文介绍了芳纶纤维的种类、性能以及目前国内外芳纶表面改性的常用方法及研究进展。芳纶纤维高模量、高强度、低密度、耐氧化、耐腐蚀的性能使其在橡胶工业、信息技术产业、纺织业领域有着广泛的应用前景。由于表面的惰性限制了芳纶纤维的应用,因而其表面处理尤为重要,硝化/还原、氯磺化等化学改性和等离子体、电子束等物理改性均可改善芳纶纤维表面的物理和化学状态,提高其与基体间的粘合性能。 关键词:芳纶/环氧复合材料;等离子体:表面;浸润性

芳纶纤维表面改性研究 专业:纺织工程姓名:李鑫陵学号:0820301018 全芳香族聚酰胺泛指至少85%的酰胺键和两个芳环相连的长链合成聚酰胺,由此类聚合物制得的纤维称为芳香族聚酰胺纤维(Aramid fiber)。在我国此类纤维被称作芳纶。间位芳香族聚酰胺(PMIA)纤维称为芳纶1313;对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维称为芳纶1414。其中“1313、1414”代表酰胺基团与苯环相连接的位置。国外有关芳纶1313的商品主要有:美国杜邦的Nomex@、日本帝人的Conex@等;有关芳纶1414的商品主要有:美国杜邦的kevlar@、荷兰的Twaron@、日本帝人的Technora@等。 芳纶纤维是由美国杜邦公司最先研制的一种由刚性分子链形成的高结晶度、高取向度材料,具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切等一系列优异性能,在橡胶工业等领域广泛用于芳纶纤维增强复合材料。复合材料的性能与基体相、增强相及两相界面结合状况均有关,良好的界面结合可使复合材料更好地发挥力学性能。芳纶具有刚性分子结构,分子对称性高,横向分子间作用力弱,分子间氢键弱,横向强度低使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂;由于具有较高的结晶度,使得纤维表面光滑、无反应活性,导致其与大多数基体之间的界面粘附性很差,因此,要改善芳纶纤维与复合材料的界面结合情况,充分发挥芳纶优异的力学性能,就要对芳纶表面进行改性处理。 1 芳纶纤维的表面改性方法 芳纶的表面改性可以通过等离子体、超声波等物理技术或硝化/还原、氯磺化等化学方法,在纤维表面引入羟基、羰基等极性或活性基团,与基体间形成反应性共价键结合,从而提高纤维与基体间的粘合强度。 1.1 共缩聚改性 通过在芳纶分子链中引入具有不同结构的第三单体,在基本保持原有优良性能的前提下,改善芳纶纤维的溶解性、耐疲劳性等性能。 Bernhard等采用取代对苯二胺和二氯对苯二酰共缩聚反应,制备不同的刚性棒状芳香族聚酰胺,其主要晶体结构与对位芳纶类似,不同的是,在热处理中不会发生结构变化,苯环取代的空间位阻和电子效应导致纤维固态结构不同。

聚丙烯纤维表面改性研究

聚丙烯纤维表面改性研究 聚丙烯纤维的表面改性提高了玻化微珠复合保温材料力学强度和软化系数,但纤维表面处理方式的增强效果明显不同,下面是推荐的一篇探究聚丙烯纤维表面改性的论文范文,供大家阅读参考。 以玻化微珠为轻质骨料,水泥、石膏和粉煤灰等胶凝材料为主要原料,经模压成型制备的玻化微珠无机保温材料,其密度与力学强度要求往往不能兼顾.在此体系中引入增强纤维,可以使保温材料在较小密度下具有较高强度,且适宜掺量的增强纤维不会对保温材料的密度和导热系数有较大影响. 聚丙烯纤维是一种柔性纤维,在水泥砂浆和混凝土制品中有着出色的阻裂效果[1-2],但聚丙烯纤维表面能低,表面不含任何活性基团,往往影响其应用效果.对聚丙烯纤维表面进行适当改性,可增强其与水泥等无机胶凝材料的界面结合力,提高复合材料的力学强度. 1试验 1.1原材料 玻化微珠:山东创智新材料科技有限公司产Ⅱ类玻化微珠,其主要性能指标见表1;聚丙烯纤维(PP):四川华神化学建材有限责任 公司产,其基本性能指标见表2;水泥:中联水泥厂产42.5R快硬硫 铝酸盐水泥;粉煤灰:华电国际邹县发电厂Ⅰ级粉煤灰,符合GB/T 1596-xx《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各项要求;醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(简称VAE乳液):南京丹沛化工有限公司产,固含量(文中涉及的固含量、浓度和掺量等除特别注明外均为质量分数)55.5%;

聚乙烯醇缩甲醛胶,固含量3.38%;建筑石膏粉:0.2mm方孔筛筛余量8.7%,初凝时间5min,终凝时间26min;氢氧化钠:分析纯化学试剂,NaOH含量≥96%. 1.2聚丙烯纤维表面改性处理 碱处理:取适量聚丙烯纤维放入浓度为5%的NaOH溶液中浸泡 8h后取出,用蒸馏水洗净表面,晾干备用. 包覆改性处理:将碱处理后的聚丙烯纤维放入VAE乳液稀释液(m(VAE乳液)∶m(水)=1∶1)中搅拌浸泡20min,取出纤维并压挤出多 余液体,物理分散、烘干后待用. 1.3试验方法 按m(玻化微珠)∶m(聚乙烯醇缩甲醛胶)∶m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(石膏)=1.00∶1.00∶0.80∶0.20∶0.08,准确称量各物料. 聚丙烯纤维掺量与相应的试样编号见表3,其中P组为掺加未改性聚丙烯纤维的复合保温材料试样、A组为掺加碱处理聚丙烯纤维的试样、C组为掺加VAE乳液包覆改性聚丙烯纤维的试样. 先将玻化微珠、聚丙烯纤维、水泥、粉煤灰和石膏混合均匀, 聚乙烯醇缩甲醛胶通过喷射枪以雾化状态均匀喷射到混合料中,再将混合料倒入500mm×300mm×80mm的模具中整平,并在0.47MPa压力 下模压成型,1h后脱模,得到500mm×300mm×50mm的保温板材. 在20℃,相对湿度95%的条件下养护3d后,将保温板材放入60℃电热鼓风干燥箱中烘干备用.

芳纶纤维表面改性及其增强树脂基复合材料制备的研究进展

工 程 塑 料 应 用 ENGINEERING PLASTICS APPLICATION 第46卷,第8期2018年8月 V ol.46,No.8Aug. 2018 149 doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2018.08.027 芳纶纤维表面改性及其增强树脂基 复合材料制备的研究进展 张雄斌,贺辛亥,程稼稷 (西安工程大学材料工程学院,西安 710048) 摘要:综述了近年来芳纶纤维的表面改性方法,包括表面活化法、共聚改性法、络合改性法等化学改性方法及涂层法、高能射线法、等离子体改性法等物理改性方法,指出了各种改性方法存在的不足;介绍了芳纶纤维增强树脂基复合材料的制备方法,包括拉挤成型、模压成型、树脂传递模塑(RTM)成型、湿法缠绕成型等,对比分析了各种制备方法的优缺点;对其未来的研究方向和发展趋势进行了展望。 关键词:芳纶纤维;表面改性;树脂基复合材料;制备方法;发展趋势 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1001-3539(2018)08-0149-05 Research Progress on Surface Modification of Aramid Fibers and Preparation of Their Reinforced Resin Matrix Composites Zhang Xiongbin , He Xinhai , Cheng Jiaji (School of Materials Science & Engineering , Xi ’an Polytechnic University , Xi ’an 710048, China) Abstract :The modification methods of aramid fibers were reviewed. These modification methods include chemical modifica-tion methods and physical modification methods. Chemical modification methods include surface activation method ,copolymeriza-tion modification ,complexing modification ,etc. Physical modification methods include coating method ,high energy ray method ,plasma modification and so on. The shortcomings of various modification methods were pointed out. The preparing techniques of ar-amid fibers reinforced resin matrix composites were introduced. These preparation methods include pultrusion ,mold forming ,resin transfer molding (RTM) and wet winding ,etc. The advantages and disadvantages of various preparation methods were compared and analyzed. Their future research direction and development trend were proposed. Keywords :aramid fiber ;surface modification ;resin matrix composite ;preparation method ;development trend 芳纶纤维是一种高性能纤维,具有相对密度小、高模量、耐剪切等优异性能,被广泛应用于航空航天、军事、机械等领域[1–2],但因芳纶纤维内部具有的高结晶度、高取向度等特殊结构,需对芳纶纤维进行表面改性,以增加纤维表面的粗糙度和引入有化学反应活性的官能团,提升与基体之间的反应活性,增强与基体之间的粘结性能[3]。为改善界面结合性能,对芳纶纤维进行表面改性,同时借助优异的制备方法获取高性能芳纶纤维增强树脂基复合材料一直是该领域研究的热点[4]。笔者综述了芳纶纤维表面改性及其树脂基复合材料的制备方法,展望了芳纶纤维增强树脂基复合材料未 来研究的重点方向和发展趋势。1 芳纶纤维表面改性 芳纶纤维因其光滑的表面,惰性的化学结构导致其与基体材料之间的粘结性能较差,制约了其广泛应用[5]。根据芳纶纤维表面改性方法的不同,主要分为化学改性和物理改性两种。1.1 化学改性 化学改性是指借助化学反应在纤维的表面引入一定量的活性反应基团,从而提升纤维与基体之间的粘附作用[6]。根据改性机理的不同,对芳纶纤维表面进行化学改性的方法 基金项目:中国纺织工业联合会指导性项目(2015116,2016052),陕西省工业科技攻关项目(2016GY-014)通讯作者:贺辛亥,博士,教授,主要从事复合材料设计及成型研究 E-mail :he_xinhai@https://www.wendangku.net/doc/734408051.html, 收稿日期:2018-06-10 引用格式:张雄斌,贺辛亥,程稼稷.芳纶纤维表面改性及其增强树脂基复合材料制备的研究进展[J].工程塑料应用,2018,46(8):149–153. Zhang Xiongbin ,He Xinhai ,Cheng Jiaji. Research progress on surface modification of aramid fibers and preparation of their reinforced resin matrix composites[J]. Engineering Plastics Application ,2018, 46(8):149–153.

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