[發明專利]一種碳納米管改性芳綸纖維的方法

無效

• 申請號: 201010128403.6
• 申請日: 2010-03-17
• 公開（公告）號: CN101831800A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 陳威;錢新明;劉吉平;何學秋
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: D06M13/395
• 分類號: D06M13/395;D06M11/74;D06M10/06;D06M101/36
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技術領域

本發明是關于一種芳綸纖維改性的方法，特別是涉及一種凱夫拉(Kevlar)纖維改性的方法。

背景技術

Kevlar是杜邦公司在上世紀60年代研制出的一種對苯二甲酰對苯二胺聚合物結構的纖維，與超高分子量聚乙烯纖維以及碳纖維并稱為世界三大高性能纖維。不僅具有超高強度、高模量和耐酸耐堿、重量輕等優良性能，其強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，而且在560度的溫度下不分解不融化，具有優異的耐高溫性能。盡管如此，Kevlar的化學惰性和光滑表面導致纖維表面光滑且活性低，不易與樹脂浸潤，致使纖維與樹脂基體界面結合的能力較差，界面剪切強度較低。較差的界面粘結不能很好地進行力的傳遞從而影響復合材料綜合性能的發揮，進而制約了Kevlar纖維在先進復合材料領域中的應用。對纖維表面進行處理后，使其能與樹脂基體形成較好的界面層，從而最大限度地發揮Kevlar纖維增強復合材料的綜合性能。

目前，Kevlar纖維表面改性技術主要有：表面涂層法、等離子表面改性技術、γ射線輻射方法、化學改性技術等。

表面涂層法：在Kevlar纖維表面涂敷有利于應力松弛的柔性界面層可改進纖維與基體樹脂的界面化學和物理作用，從而改善其復合材料的性能，但其效果持續時間較短且涂層厚度不好控制。

等離子表面改性技術：利用等離子體引發高聚物的自由基反應進行的。目前，用于芳綸表面改性的多為高頻電磁振蕩致低溫冷等離子體。其過程：將增強纖維放入等離子室中，然后在負壓狀態下，依靠電離稀薄氣體對纖維表面進行處理。處理氣氛可以是活性氣體，也可以是惰性氣體。其缺點是纖維處理后必須進行復合，否則將發生退化效應，使處理效果不明顯，而且在處理中需保持一定真空度，條件比較苛刻。

γ射線輻射方法：利用γ-射線對Kevlar纖維表面接枝以及纖維內部微纖交聯反應，從而提高纖維本體強度及其潤濕性。從目前的文獻報道來看，僅前蘇聯采用γ射線輻照技術對芳綸表面進行改性處理。化學改性方法是利用化學反應，在纖維表面引入可反應的基團，從而在與基體復合時產生共價鍵，增加材料的界面性能。化學改性方法一般分為表面刻蝕、偶聯劑改性和表面接枝。

幾乎所有的表面改性方法都會對纖維表面甚至內部造成損傷從而導致力學性能下降，因此，找到一種既能改善纖維表面活性，又能一定程度提高纖維的力學性能的改性方法很有研究意義。

發明內容

碳納米管由于具有超強的機械性能和超高的表面自由能而被公認為最有前途的超強復合聚合物材料的添加物，本發明的目的是提供一種利用碳納米管改性芳綸纖維表面的方法，該方法不僅使芳綸纖維表層富含極性基團和具有超高表面自由能的碳納米管，提高了纖維表面粘結性能，同時又在一定程度上提高了纖維的力學性能，克服了傳統化學改性方法必然損傷纖維力學性能的弊端。

本發明選擇環氧樹脂/芳綸纖維復合材料作為研究對象，以碳納米管為表面修飾材料，提出一種新的芳綸纖維表面的改性方法：該方法包括如下步驟：

a通過異氰酸酯處理在芳綸纖維表面形成一定比例的自由氨基基團；

b.將所述處理過的芳綸纖維表面浸泡在非質子型溶液中，通過超聲輔助，與表面羧基化或酰氯化的碳納米管反應，部分碳納米管進入到芳綸纖維內部，而另一部分則通過與氨基形成酰胺鍵而固定在纖維表面，從而形成碳納米管內外摻雜的芳綸纖維復合體。

所述的芳綸纖維表面的改性方法，其中，所述的異氰酸酯是二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)或1，6-己二異氰酸酯(HDI)中的一種或多種混合。

所述的芳綸纖維表面的改性方法，其中，所述的非質子型溶液是二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一種或多種混合。

所述的芳綸纖維表面的改性方法，其中，所述的碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的一種或多種混合。

所述的芳綸纖維表面的改性方法，其中，將1，4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷、甲苯、異氰酸酯在氮氣保護的真空干燥器中混合，隨后將纏有表面處理過的芳綸纖維的自制玻璃框放入真空干燥器中，常溫下反應，取出所述玻璃框，用甲苯清洗去除殘留的未反應的異氰酸酯，將所述玻璃框放入另一個水與1，4-二氮雜二環[2.2.2]辛烷比例為50～300∶1的混合體系中反應，所得產物用水和乙醇沖洗，真空干燥，得到表面形成一定比例的自由氨基基團的芳綸纖維。