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
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
南昌航空大学科技学院 毕业设计（论文）开题报告 题目碳纤维表面改性研究进展 专业名称高分子材料与工程 班级学号088102121 学生姓名刘强 指导教师万里鹰 填表日期2012 年 3 月16 日
碳纤维的表面改性研究进展 一．选题的依据及意义： 1.碳纤维简介 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。但未经表面处理的碳纤维表面惰性大，缺乏具有化学活性的官能团，与基体的黏结性差，界面中存在较多的缺陷，限制了碳纤维高性能的发挥。因此，国内外对碳纤维的表面改性研究非常活跃。碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面活性，强化碳纤维与基体树脂之间界面性能，达到提高复合材料层间剪切强度的目的。 作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 2 碳纤维表面结构与性能 碳纤维一般是用分解温度低于熔融点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的,在热裂解过程中排出其它元素,形成石墨晶格结构。通过在氧气等离子气体中用腐蚀方法研究碳纤维的结构发现,石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的,碳纤维由外皮层和芯层两部分组成,外皮层和芯层之间是连续的过渡层。延直径测量,皮层约占14%,芯层约占39%。皮层的微晶尺寸较大,排列较整齐有序。由皮层到芯层,微晶尺寸减小,排列逐渐变得紊乱,结构的不均匀性越来越显著,称之为过渡区。碳纤维表面的粗糙度、微晶大小、官能团的种类和数量对碳纤维与基体的结合性能有很大的影响。增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭效应;石墨微晶越大,处于碳纤维表面棱角和边缘位置的不饱和碳原子数目越少,表面活性越低,相反,微晶越小,活性碳原子的数目就越多,越有利于纤维与树脂的粘合;碳纤维表面的官能团如- OH、-NH2等能与基体
关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂基体的研究
关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂 基体的研究 摘要:芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天、国防、汽车等行业，由于芳纶纤维具有高结晶度、表面化学活性基团少等缺点，使复合材料出现层间剪切强度、横向拉伸强度等性能较低等缺点，限制了复合材料性能的发挥及其应用领域的推广。芳纶纤维复合材料研究，集中在对芳纶纤维表面进行物理的、化学方面的改性处理以及合适树脂基体的选择。本文对这两个方面进行了总结，并提出了相关展望。 关键词:芳纶纤维复合材料改性树脂基体 1前言 1.1芳纶的定义 芳纶是一种高科技纤维,它的全称为“芳香族聚酰胺纤维”,它具有优良的力学性能,理想的机械性质和稳定的化学性质理想的机械性质。由芳香环和酰胺键构成了聚合物大分子的主链,且其中至少86%的酰胺基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接并置换其中的一个氢原子,我国将其定名为芳纶。它包括全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维2大类,全芳族聚酰胺纤维主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维;杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳论,如有序结构的杂环聚酯胺纤维等。由于聚对苯二甲酰对苯二胺（对位芳纶，其产品有Kevlar，Twaron，国产芳纶II）是中国市场上应用最广的芳纶，本文中芳纶均指对位芳纶。 1.2芳纶纤维的应用 纤维增强树脂基复合材料因有比强度高、比模量大、比重小等特点,而得到广泛应用。先进复合材料的增强材料有碳纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维。芳纶纤维具有模量高、强度大以及耐热性和化学稳定性等特点,与金属和碳纤维相比,具有更低的介电常数[1],芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天航空、电子信息等领域,
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.360docs.net/doc/e513476515.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.
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；
③耐腐蚀及耐久性能好。 ④不增加结构自重。 （ 2 ）适用范围。适用于各种形式的钢筋混凝土结构或构 件的加固补强。 （ 3 ）加固机理。利用专用环氧树脂将抗拉强度极高的碳 纤维片粘贴于混凝土结构表面，并与之形成整体，共同工作。 ?施工工艺 在碳纤维加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。其加固施 3.1 混凝土基底处理 （ 1 ）裂缝处理。宽度小于 0.2mm 的裂缝，用环氧树脂进 行表面涂抹封闭；大于 0.2mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。“革 历博”抗震加固的大梁大部分都有宽度不一的裂缝，最大裂 缝达到 1mm 以上，为此我们对所加固的主梁首先进行了压 力灌胶处理。 （ 2 ）将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净，达 到结构密实部位，使其表面平整。
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
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
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
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。
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
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.
用傅克反应改性芳纶纤维表面以增强与环氧树脂的界面结合力(一)
用傅克反应改性芳纶纤维表面以增强与环氧树脂的界面结合力 刘铁民1，郑元锁2，胡杰2 1西安交通大学，材料科学与工程学院，陕西，西安710049 1西安交通大学，理学院，陕西，西安710049 摘要：在本文中，用傅-克反应作为一种新型的途径对芳纶纤维表面进行化学改性。经表面改性后，芳纶纤维与环氧树脂的界面剪切强度增强50%。用X射线光电子能谱分析仪检测芳纶纤维表面的元素，用傅-克反应处理后的芳纶纤维表面的氧碳比增加。用X射线衍射仪检测芳纶纤维的结晶状态，用扫描电子显微镜检测芳纶纤维的表面形貌。结果显示，本文所采用的表面改性方法适合工业化应用，该方法不仅可以明显提高芳纶纤维与环氧树脂基复合材料的界面结合强度，而且对芳纶纤维本身的强度几乎没有负面影响。采用新方法也能使芳纶纤维表面的吸湿性增加。 关键词：芳纶纤维，界面性能，表面处理，傅-克反应 引言 芳纶纤维以低密度、高拉伸模量为特点，因而它作为一种很好的聚合物增强材料广泛的应用于航天、航空、导弹发射等领域。 众所周知，纤维和聚合物的界面直间影响复合材料的机械性能，然而，芳纶纤维表层高的结晶度以及分子链缺乏极性官能团，使得芳纶纤维表面的化学性质很不活泼，表面非常光滑，从而造成其与树脂基的粘附性非常差。因此，芳纶纤维的表面改性很有必要，以增强界面结合力。目前，人们已经开发出很多方法对芳纶纤维进行表面改性，例如化学处理、物理处理以及二者并用。物理处理方法主要是超声处理。物理化学法主要包括离子辐射、等离子处理及接枝聚合。尽管后两种方法研究了很长时间，由于低的安全性及可行性导致它们任然只适合实验室的研究，并且高成本以及随着时间的推移表面改性会发生“降解效应”，但是化学改性的方法却方便的多，通过化学反应在芳纶纤维与树脂基形成稳定的化学键作用，因而使芳纶纤维改性后有很好的稳定性，并适合工业化批量生产。 另一方面，传统的化学改性方法主要包括以下几个方面：（1）通过在苯环上的硝化或磺化反应对芳纶表面进行刻蚀；（2）通过酰亚胺上的活性氢原子的接枝反应在分子链上引入活性官能团。但是化学改性很难控制表面处理的深度及程度，并且不可避免的会降低芳纶纤维本身的强度，这是因为强氧化性酸对芳纶纤维表面的腐蚀性和破坏性所造成的。由于酰亚胺、羰基及苯环的共轭效应及苯基的位阻效应导致酰亚胺的氢原子不活泼，从而造成物理化学处理的方法处理芳纶的效果非常差。 傅-克反应是发生在苯环上的非常重要的亲电取代反应，在本文中，傅-克反应作为一种新的化学接枝反应（下文中所提到的新方法）的实施打破了苯环的屏蔽效应和大的位阻效应，正如插在山顶上的天线一样。通过XPS、SEM、FTIR来表征芳纶纤维表面的特征。通过XRD 表征芳纶纤维的结晶态和纤维表面的润湿性。通过SPF测试研究界面结合强度。 实验 仪器设备 油浴（TC-202，上海精细精密仪器厂，上海，中国）用来控制控制温度及保持反应器的预设温度。FTIR（Nicolet8700，Thermo Fisher Scientific）、XPS(ESCA PHI 1600, Physical Electronics)、XRD (XRD-6000, shimadzu, Japan)、吸湿性测试仪（C20，索伦科技有限公司，上海，中国）用来测试芳纶纤维的表面特征。SEM (S-3500H, Quasi-S Pte, Japan)用来观察处理后芳纶纤维表面的形貌变化。用动态接触角分析仪（SB213，北京）测试芳纶纤维表面的吸湿性。