对位芳纶的表面改性研究

论文摘要

芳纶是一种具有高度取向、高度结晶的合成线型高分子材料,由于其具有高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀以及良好的耐冲击性能,因此作为一种增强材料,它在航空航天、汽车、造船和特种品开发等领域有着越来越广阔的应用前景。但是由于芳纶纤维特殊的结构,其表面较低的极性是影响与树脂基体相粘结的主要原因。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界研究的一个热点。本文首先研究了用不同浓度的甲苯-2,4二异氰酸酯（TDI）溶液改性Technora纤维表面的效果。通过用单丝断裂强度、红外光谱、扫描电镜、接触角实验分别表征了改性前后纤维强度、表面官能团、微观表面形貌、浸润性的变化。结果显示,经TDI改性后,纤维表面的粗糙度增加,纤维表面接枝了大量极性基团,纤维的抗断裂强度平均增加了4.6%,改性后纤维与水的接触角平均降低了19.2°,在与树脂基体复合时,界面剪切强度最大增加了40.8%,有效的改善了纤维与树脂的界面性能,最后对改性机理进行了探讨。Technora纤维经TDI溶液处理后,在纤维表面引入异氰酸酯基团,然后通过酸化碳纳米管上的羧基与异氰酸酯基团反应对纤维表面改性。由SEM测试,可以看出纤维表面有很多附着物,通过拔出实验得出,纤维改性后与树脂间的界面剪切强度较改性前增加了55.06%。由接触角测试可知,改性后纤维与水的接触角平均值为45.41°比改性前降低了23.14°,而与水的浸润速率则明显增加。以上均说明此方法对纤维表面改性效果明显。本文最后研究了对苯二甲酰氯对Technora纤维的改性实验。并对实验条件采用了正交设计,对时间、温度、酰氯浓度三个关键因素进行控制。然后采用强力测试仪、扫描电镜、红外光谱、浸润性测试和单纤维拔出实验分别对改性前后纤维的断裂强度、微观表面形貌、表面官能团、浸润性能和与树脂基体的界面性能作了对比分析。结论得出,在力学性能几乎无损伤的情况下,纤维与树脂的界面性能明显改善,与水的浸润性明显提高。结合各因素对实验效果的影响得出最佳的实验条件:反应温度为25℃,对苯二甲酰氯溶液浓度为1%,反应时间为1小时。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 芳纶简介
• 1.2 对位芳纶的结构与性能
• 1.3 对位芳纶的表面改性
• 1.3.1 表面涂层法
• 1.3.2 化学改性
• 1.3.3 物理改性
• 1.4 应用前景
• 1.5 本课题研究内容
• 1.6 创新点
• 第二章 TDI改性对位芳纶表面的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料与设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 原丝清洗
• 2.3.2 TDI溶液处理
• 2.3.3 模拟复合材料拉伸试样的制备
• 2.3.4 环氧树脂基纤维增强复合材料的制备
• 2.4 性能表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜分析
• 2.4.2 单丝断裂强度测试
• 2.4.3 界面剪切强度测试
• 2.4.4 红外分析
• 2.4.5 接触角测试
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 TDI处理对纤维表面形貌的影响
• 2.5.2 TDI处理对纤维力学性能的影响
• 2.5.3 红外分析
• 2.5.4 TDI处理对纤维与树脂界面剪切强度的影响
• 2.5.5 复合材料断口形貌分析
• 2.5.6 改性处理对纤维表面浸润性的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 碳纳米管改性对位芳纶表面的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料与设备
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验设备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 预处理
• 3.3.2 纤维表面改性
• 3.4 性能表征
• 3.4.1 红外测试
• 3.4.2 表面形貌分析
• 3.4.3 断裂强度与界面剪切强度测试
• 3.4.4 接触角测试
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 红外分析谱
• 3.5.2 表面形貌分析
• 3.5.3 碳纳米管改性纤维对力学性能的影响
• 3.5.4 碳纳米管改性对纤维界面剪切性能的影响
• 3.5.5 碳纳米管改性对浸润性的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 对苯二甲酰氯改性对位芳纶表面的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料与设备
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验设备
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 原丝清洗
• 4.3.2 对苯二甲酰氯溶液处理
• 4.3.3 正交试验设计
• 4.3.4 环氧树脂基纤维增强复合材料的制备
• 4.4 性能表征
• 4.4.1 扫描电子显微镜分析
• 4.4.2 断裂强度与界面剪切强度测试
• 4.4.3 红外分析
• 4.4.4 表面浸润性测试
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 对苯二甲酰氯溶液处理对纤维表面形貌的影响
• 4.5.2 对苯二甲酰氯溶液处理对纤维力学性能的影响
• 4.5.3 对纤维拉伸试验数据的统计分析
• 4.5.4 对苯二甲酰氯溶液处理对纤维界面性能的影响
• 4.5.5 对苯二甲酰氯溶液处理对纤维表面基团的影响
• 4.5.6 对苯二甲酰氯溶液处理对纤维表面浸润性的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 东华大学硕士研究生在学期间发表学术论文目录
• 致谢