对位芳纶纤维的表面物理改性研究进展

对位芳纶纤维的表面物理改性研究进展

摘要：对位芳纶纤维具有高强度耐热耐磨等优异特性，然而过高的分子取向度降低了其纤维与染料、树脂的结合力。该文阐述了对位芳纶关于表面物理改性方法，着重介绍了等离子、超声和辐照技术在对位芳纶改性中的应用。

关键词：对位芳纶物理改性等离子处理超声波处理γ射线辐照

中图分类号：TM215 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0146-02

对位芳纶学名为聚对苯二甲酰对苯二胺，其产品统称为1414芳纶，由于其优异的高强度、高模量、耐高温等特性可作为增强材料用于航空航天、交通、土木和军工应用等领域。对位芳纶纤维表面改性处理的研究国内外多有报道，依据其作用机理主要可分为物理改性、化学改性等方法。该文重点对芳纶纤维所具有的表面物理改性实施有效报道。

1 对位芳纶纤维表面物理改性

物理法主要借助高能射线、等离子体、紫外辐射以及超声波等在纤维表面形成自由基反应活性中心，与其表面单体发生反应后引入极性基团，可提高纤维的侵润性和粗糙度，从而提高芳纶与基体的粘结强度。

1.1 等离子体法

等离子体法在实际应用过程中，主要是借助冷等离子体空间含有相对较多的反应活性中心，其中高能量能够对芳纶表面实施改性，进而形成相应的自由基活性中心，之后其实施裂解、氧化以及自由基转移等反应，最终形成活性基团。该法在不同气氛下能够对芳纶纤维表面引入不同的极性基团，改善纤维的润湿性，增大比表面积，以此来提高纤维复合材料的界面粘接性。1994年，台湾Sheu等利用NH3、O2、H2O对Kevlar49进行等离子改性，目的在于提高与环氧树脂之间的粘结性能。而J R Brown等采用NH3以及O2气氛对芳纶实施等离子改性研究中结果显示改性后的纤维材料在层间剪切强度以及弯曲强度方面已经有了相对明显的提升。

Fang等借助空气等离子体方法，让芳纶纤维的表面快速形成了相应的含氧以及含氮基团；Su等通过氧等离子对芳纶纤维表面进行了相关处理，从而在一定程度上增加了纤维表面实际粗糙度以及含氧官能团数，增强了纤维和双马来酰胺树脂间所具有的粘结性，界面剪切强度大约提升了40%。Caixia Jia等在常压下采用空气介质阻挡放电形成的等离子体处理芳纶纤维。Ren等发现湿度对Kevlar纤维的等离子处理效果产生影响，约5.5%的湿度环境下的等离子体处理，能够在纤维表面获得更高的N与O的含量。

1.2 超声波辐射法

超声波辐射法的应用可以在超声作用下，使气泡在破

裂过程中产生非常巨大的能量，促使树脂和纤维界面粘合力增强；而其中的空化作用使纤维表面的粗糙度加大，纤维的细纤维化程度增大。

超声波对环氧树脂和芳纶纤维的作用提高了纤维润湿能力和界面粘结。研究发现：在30 mm振幅超声波在线处理后，复合材料界面剪切强度增加23.6%。超声针对胶液以及复合材料将会产生两方面作用，具体来说：一方面作用于胶液，可以提升其活性，有效改善工艺加工过程中所具有的特性；借助超声空化作用最大限度消除槽中大量多余气泡，并对一些多余热量进行处理，最终提高树脂基体自身的强度；另一方面作用于浸胶湿纤维方面，能够更好地除去气泡，保证纤维表面进行均匀浸胶，进一步改善树脂分布不均匀的现象，降低缺陷的实际程度。

Dong等采用设置有超声换能器的新型超声装置对芳纶/环氧复合材料丝线进行超声处理，其层间剪切强度最高可达52.9 MPa，比未处理时提高了10%。石键滨等研究显示超声技术能够改善芳纶材料浸润性，确保树脂分布均匀，且实验表明，振幅控制到40～50 mm之间的时候，剪切强度最大。此外，刘丽等的实验结果显示，改性芳纶纤维表面被刻蚀，极性官能团增加。

1.3 γ射线辐照法

利用高能物理γ射线辐照能够引起表面分子链降解

并产生活性基团，促进纤维自由基与接枝的单体发生反应。此法可在常温常压下进行反应且不需要催化剂。

γ射线辐射在实施纤维处理的过程中会产生两种影响：第一种在于辐射自交联，借助γ射线辐射具有的交联特点，从而引发相应的光化学反应，确保皮层与芯层间自身交联反应更好的发生，进而提升纤维横向拉伸强度；第二种在于辐射接枝，在γ射线作用下，芳纶以及表面涂覆物将会出现相应的自由基反应，进而增强纤维表面所具有的极性基团数量，提高芳纶以及树脂的粘附性，最终达到改善界面的效果。

2000年，邱军等对Apmoc纤维进行500 kg γ射线辐射，发现处理后的复丝拉伸强度提高，并且γ射线处理后Apmoc纤维复合材料的拉伸断口比较齐整，微纤劈裂现象减少。这说明辐射使Apmoc纤维本身可以发生相应的辐射交联反应，进而在微纤之间出现一定量的化学键，从根本上增加了分子之间的相互作用力。Zhang等分别在空气和N2条件下，采用辐照剂量为500 kg γ的Co-60放射源对环氧树脂/丙酮浸泡的armos纤维进行γ射线辐射处理，使芳纶/环氧树脂的层间和界面剪切强度分别较原先提高了21.9%和60.2%。张宗强等针对在O2介质中辐照Kevlar-49 30 h进行了研究，三维编织芳纶增强尼龙（K31/PA）复合材料在弯曲强度上以及剪切强度上都得到了有效提升，然而却降低了

相应的冲击强度。

1.4 紫外（UV）辐射法

利用紫外线辐照纤维也能增加芳纶表面的活性元素含量。张珊珊等在实验中发现，随处理时间的增加，纤维/环氧界面剪切强度先增大后减小，当处理时间达到8 min时，界面剪切强度提高了62.6%，达到最大值18.11 MPa。

Zimmermann等采用激光对芳纶纤维进行消融治疗后，加大了纤维/树脂界面剪切强度；2007年，东华大学Ding等报道了用纳米TiO2包覆的芳纤维对紫外可见光的稳定性，证明了紫外可见光对芳纶纤维是有损伤的。

1.5 低温超临界改性

CO2等在固-液-气相临界的超低温环境下具有非常活泼的性质，利用这一性质对芳纶表面进行低温超临界处理，将显著改善纤维对大分子的浸润性。Zhang等的研究发现将PTFE/Kevlar纤维低温处理可以制备磨损性能更优的复合材料。究其原因在于低温处理能够确保纤维表面产生大量小颗粒物，并出现一定的条纹凹槽，这种情况下就会使其磨损性能得到大幅度提高。

2 结语

芳纶纤维的物理改性从本质上没有改变原纤维的特性，所采用的设备基本上都能够满足连续化的工业生产，对纤维表面进行粗化效果明显，均能显著提高芳纶纤维/树脂