论文摘要
芳纶纤维是一种光敏感的高分子材料,容易在紫外线照射下发生光老化降解,而280～320nm范围的紫外光对芳纶纤维光降解作用最强。采用适当的抗紫外老化剂以阻隔这一波段的紫外光,将可提高芳纶纤维的使用寿命。纳米TiO2对紫外光具有很强吸收和散射性能,是一种非常具有发展前景的新型光稳定剂,目前研究的重点为制成细粉、超细粉末或水分散液（或乳液）供纺丝和后整理用。但是,在芳纶纤维纺丝过程中很难加入紫外光屏蔽剂,只能通过后整理的过程来提高其抗光老化性能。另外,无机纳米紫外线屏蔽剂由于具有极大的比表面积和比表面能,在介质中不易分散,易产生团聚,因此在应用前还需要使用表面活性剂进行表面改性。针对上述两个问题,并结合湿化学在材料涂覆（或涂层）应用中的特点,采用溶胶—凝胶法制备TiO2纳米溶胶,并在芳纶纤维表面形成抗紫外光老化涂层,以缓解芳纶的紫外光老化性。此种方法解决了一定的问题,但同时也存在另一些问题,即;用金属有机醇盐来获得溶胶的成本太高;锐钛矿结构TiO2除了具有防紫外线作用外,还具有较强的光催化作用,会加速芳纶的老化。本课题采用金属无机化合物为前驱制备稳定的、防紫外效果较好且光催化作用较小的掺铝二氧化钛纳米水溶胶,并运用在芳纶纤维上形成具有紫外屏蔽作用及较低光降解作用的涂层来缓解芳纶纤维紫外光老化过程。论文的主要结论如下;1.以TiCl4为前驱物,选用盐酸作胶溶剂,水为溶剂,采用溶胶—凝胶法制备出了稳定的、透明度较高的Al3+/TiO2水溶胶。研究溶胶制备过程中的主要因素与溶胶性能的关系,得出当Al3+百分含量为0.07,在3.2 mol/L TiCl4用量为1ml、1.6mol/L盐酸溶液用量为6ml时、用水量30ml、胶溶3h条件下形成的溶胶粒径较小,颗粒分布较均匀。2.在普通玻璃上制备出粒度分布均匀的Al3+/TiO2涂层。研究溶胶制备过程中的主要因素与溶胶性能和涂层紫外吸收性的关系,得出当Al3+含量为0.07%、3.2 mol/L TiCl4用量为1ml、1.6mol/L盐酸溶液用量为6ml时,用水量30ml,胶溶3h形成的溶胶涂层吸收紫外线效果最好。3.X射线衍射测试结果表明,80℃热处理1h后,TiO2粉末100%为锐钛矿相晶体结构。随温度升高,120℃开始发现金红石衍射峰的出现,此时粉末为锐钛矿相与金红石相的混晶,Al以Al2O3晶体形式存在。由此可见,在纤维上进行Al3+/TiO2涂层时,80℃热处理后涂层中TiO2只有锐钛矿相。4.由于Al3+的存在会引起晶格畸变和收缩,晶格缺陷能够成为催化剂的活性中心,对光催化反应有利。Al3+掺杂量增加,过多的晶格缺陷会成为电子—空穴复合中心,光催化活性下降。随着Al3+掺杂量的增大,部分Al2O3使脱离TiO2颗粒表面,形成具有晶体结构的游离Al2O3,小粒子越来越多,拓宽了Al3+/TiO2粉末光吸收范围,对光能的利用率提高,光降解性能增加。Al质量含量0.07%的Al(3+/TiO2粉末对应的光催化性能最小。5.使用Al3+/TiO2水溶胶在芳纶纤维表面形成Al3+/TiO2涂层,采用芳纶纤维的加速光老化试验,对未涂层和经Al3+/TiO2涂层纤维在光老化期间宏观拉伸力学性能和微观结构进行了试验研究。老化试样表明,涂层芳纶纤维平均拉伸强力和断裂伸长率均高于未涂层芳纶纤维。-经紫外光老化处理,未涂层芳纶纤维的紫外光老化现象显著,断裂强力和伸长率下降严重,而Al3+/TiO2涂层后紫外光对芳纶纤维拉伸性能的影响减弱,紫外光老化速度减缓。紫外照射48h和96h后,涂层芳纶纤维的断裂伸长率保持率分别维持在75.4%和60.6%,而未涂层芳纶的则已经分别下降到49.9%和26.4%;紫外照射48h和96h后,涂层芳纶纤维的断裂强力保持率分别维持在70.1%和49.2%,而未涂层芳纶的则已经分别下降到30.2%和14.1%。在置信度为0.95时,未涂层纤维和经Al3+/TiO2涂层纤维加速老化相同时间后,断裂强力和伸长率均值差置信区间的上限都小于零,最大置信区间分别可达到（-10.79 cN,-9.19cN）和（-1.17%,-0.97%）。-SEM表面观察和XPS表面组成分析都表明,涂层使得芳纶纤维酰胺键吸收紫外光能量减少,减缓了芳纶纤维的光老化速度。-Al3+掺杂量不同的TiO2涂层及Al3+/TiO2涂层的制备条件对涂层屏蔽紫外光性能有一定影响。涂层溶胶选择3.2 mol/L TiCl4用量1ml、1.6mol/L盐酸溶液用量6ml、用水量30ml、胶溶3h、Al3+掺杂含量为0.07%、涂层热处理温度为80℃,通过该制备工艺在芳纶纤维表面得到的Al3+/TiO2涂层可较好的缓解芳纶纤维的光老化速度。
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