對位芳綸纖維的表面物理改性研究進展

劉江　董立　徐磊

摘 要：對位芳綸纖維具有高強度耐熱耐磨等優異特性，然而過高的分子取向度降低了其纖維與染料、樹脂的結合力。該文闡述了對位芳綸關于表面物理改性方法，著重介紹了等離子、超聲和輻照技術在對位芳綸改性中的應用。

關鍵詞：對位芳綸 物理改性 等離子處理 超聲波處理 γ射線輻照

中圖分類號：TM215 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0146-02

對位芳綸學名為聚對苯二甲酰對苯二胺，其產品統稱為1414芳綸，由于其優異的高強度、高模量、耐高溫等特性可作為增強材料用于航空航天、交通、土木和軍工應用等領域。對位芳綸纖維表面改性處理的研究國內外多有報道，依據其作用機理主要可分為物理改性、化學改性等方法。該文重點對芳綸纖維所具有的表面物理改性實施有效報道。

1 對位芳綸纖維表面物理改性

物理法主要借助高能射線、等離子體、紫外輻射以及超聲波等在纖維表面形成自由基反應活性中心，與其表面單體發生反應后引入極性基團，可提高纖維的侵潤性和粗糙度，從而提高芳綸與基體的粘結強度。

1.1 等離子體法

等離子體法在實際應用過程中，主要是借助冷等離子體空間含有相對較多的反應活性中心，其中高能量能夠對芳綸表面實施改性，進而形成相應的自由基活性中心，之后其實施裂解、氧化以及自由基轉移等反應，最終形成活性基團。該法在不同氣氛下能夠對芳綸纖維表面引入不同的極性基團，改善纖維的潤濕性，增大比表面積，以此來提高纖維復合材料的界面粘接性。1994年，臺灣Sheu等利用NH3、O2、H2O對Kevlar49進行等離子改性，目的在于提高與環氧樹脂之間的粘結性能。而J R Brown等采用NH3以及O2氣氛對芳綸實施等離子改性研究中結果顯示改性后的纖維材料在層間剪切強度以及彎曲強度方面已經有了相對明顯的提升。

Fang等借助空氣等離子體方法，讓芳綸纖維的表面快速形成了相應的含氧以及含氮基團；Su等通過氧等離子對芳綸纖維表面進行了相關處理，從而在一定程度上增加了纖維表面實際粗糙度以及含氧官能團數，增強了纖維和雙馬來酰胺樹脂間所具有的粘結性，界面剪切強度大約提升了40%。Caixia Jia等在常壓下采用空氣介質阻擋放電形成的等離子體處理芳綸纖維。Ren等發現濕度對Kevlar纖維的等離子處理效果產生影響，約5.5%的濕度環境下的等離子體處理，能夠在纖維表面獲得更高的N與O的含量。

1.2 超聲波輻射法

超聲波輻射法的應用可以在超聲作用下，使氣泡在破裂過程中產生非常巨大的能量，促使樹脂和纖維界面粘合力增強；而其中的空化作用使纖維表面的粗糙度加大，纖維的細纖維化程度增大。

超聲波對環氧樹脂和芳綸纖維的作用提高了纖維潤濕能力和界面粘結。研究發現：在30 mm振幅超聲波在線處理后，復合材料界面剪切強度增加23.6%。超聲針對膠液以及復合材料將會產生兩方面作用，具體來說：一方面作用于膠液，可以提升其活性，有效改善工藝加工過程中所具有的特性；借助超聲空化作用最大限度消除槽中大量多余氣泡，并對一些多余熱量進行處理，最終提高樹脂基體自身的強度；另一方面作用于浸膠濕纖維方面，能夠更好地除去氣泡，保證纖維表面進行均勻浸膠，進一步改善樹脂分布不均勻的現象，降低缺陷的實際程度。

Dong等采用設置有超聲換能器的新型超聲裝置對芳綸/環氧復合材料絲線進行超聲處理，其層間剪切強度最高可達52.9 MPa，比未處理時提高了10%。石鍵濱等研究顯示超聲技術能夠改善芳綸材料浸潤性，確保樹脂分布均勻，且實驗表明，振幅控制到40～50 mm之間的時候，剪切強度最大。此外，劉麗等的實驗結果顯示，改性芳綸纖維表面被刻蝕，極性官能團增加。

1.3 γ射線輻照法

利用高能物理γ射線輻照能夠引起表面分子鏈降解并產生活性基團，促進纖維自由基與接枝的單體發生反應。此法可在常溫常壓下進行反應且不需要催化劑。

γ射線輻射在實施纖維處理的過程中會產生兩種影響：第一種在于輻射自交聯，借助γ射線輻射具有的交聯特點，從而引發相應的光化學反應，確保皮層與芯層間自身交聯反應更好的發生，進而提升纖維橫向拉伸強度；第二種在于輻射接枝，在γ射線作用下，芳綸以及表面涂覆物將會出現相應的自由基反應，進而增強纖維表面所具有的極性基團數量，提高芳綸以及樹脂的粘附性，最終達到改善界面的效果。

2000年，邱軍等對Apmoc纖維進行500 kg γ射線輻射，發現處理后的復絲拉伸強度提高，并且γ射線處理后Apmoc纖維復合材料的拉伸斷口比較齊整，微纖劈裂現象減少。 這說明輻射使Apmoc纖維本身可以發生相應的輻射交聯反應，進而在微纖之間出現一定量的化學鍵，從根本上增加了分子之間的相互作用力。Zhang等分別在空氣和N2條件下，采用輻照劑量為500 kg γ的Co-60放射源對環氧樹脂/丙酮浸泡的armos纖維進行γ射線輻射處理，使芳綸/環氧樹脂的層間和界面剪切強度分別較原先提高了21.9%和60.2%。張宗強等針對在O2介質中輻照Kevlar-49 30 h進行了研究，三維編織芳綸增強尼龍（K31/PA）復合材料在彎曲強度上以及剪切強度上都得到了有效提升，然而卻降低了相應的沖擊強度。

1.4 紫外（UV）輻射法

利用紫外線輻照纖維也能增加芳綸表面的活性元素含量。張珊珊等在實驗中發現，隨處理時間的增加，纖維/環氧界面剪切強度先增大后減小，當處理時間達到8 min時，界面剪切強度提高了62.6%，達到最大值18.11 MPa。

Zimmermann等采用激光對芳綸纖維進行消融治療后，加大了纖維/樹脂界面剪切強度；2007年，東華大學Ding等報道了用納米TiO2包覆的芳纖維對紫外可見光的穩定性，證明了紫外可見光對芳綸纖維是有損傷的。

1.5 低溫超臨界改性

CO2等在固-液-氣相臨界的超低溫環境下具有非常活潑的性質，利用這一性質對芳綸表面進行低溫超臨界處理，將顯著改善纖維對大分子的浸潤性。Zhang等的研究發現將PTFE/Kevlar纖維低溫處理可以制備磨損性能更優的復合材料。究其原因在于低溫處理能夠確保纖維表面產生大量小顆粒物，并出現一定的條紋凹槽，這種情況下就會使其磨損性能得到大幅度提高。

2 結語

芳綸纖維的物理改性從本質上沒有改變原纖維的特性，所采用的設備基本上都能夠滿足連續化的工業生產，對纖維表面進行粗化效果明顯，均能顯著提高芳綸纖維/樹脂基復合材料界面剪切強度，但對環境要求偏高，如多數處理條件達到超低溫或接近真空環境，另外由于物理改性多采用高能粒子，設備的能耗較高，也成為制約其產業化的瓶頸。

參考文獻

[1] Ohmae N，Ghosh L，Fadhilah M H，et al.Synergistic effect of hyperthermal atomic oxygen beam and vacuum ultraviolet radiation exposures on the mechanical degradation of high-modulus aramid fibers[J].Polymer， 2006，47（19）：6836-6842.

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