[發明專利]一種界面性能優異的芳香族聚合物纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201911401173.3
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111005211B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 劉向陽;程政;羅龍波;劉洋;王旭;呂鈞煒;劉昌莉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74;D06M15/59;C08G69/28;C08G69/32;C08J5/06;C08L63/00;D06M101/36
• 代理公司: 成都高遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51222
• 代理人: 李高峽;張娟

本發明公開了一種碳納米管衍生物，所述碳納米管衍生物是芳香族聚酰胺大分子修飾的碳納米管。本發明還公開了以表面含氟的芳綸、上述碳納米管衍生物和芳香族聚酰胺為原料制得的芳香族聚合物纖維。該芳香族聚合物纖維新皮層取向度降低，極性增加，纖維和樹脂基體在界面處的直接粘接性提高，使用其制備環氧樹脂復合材料，浸膠絲拉伸強度和層間剪切強度顯著提高，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于芳香族聚合物領域，具體涉及一種界面性能優異的芳香族聚合物纖維及其制備方法。

背景技術

芳綸，又稱芳酰胺纖維，是一種高強高模耐高溫的高性能有機纖維，自從杜邦在上世紀70年代開始生產了第一代的Kevlar纖維，其就在各個軍用民用領域得到了巨大的發展，特別是作為結構增強體用于制備樹脂基高性能復合材料，芳綸對傳統的金屬合金材料呈現出全方位代替的趨勢。但是作為復合材料的增強體，芳綸始終面臨著復合材料界面性能較差的問題，其與環氧樹脂的界面剪切強度只有30MPa，遠低于碳纖維的60Mpa。這主要是因為芳綸擁有較高的結晶度且表面光滑，其表面呈現惰性，所以其與各種樹脂的粘結性能較差，以至于所制備的復合材料性能遠低于預期，嚴重限制了芳綸的進一步應用。

為了解決芳綸界面性能差的問題，推進其進一步的工業化應用，針對芳綸的表面改性手段層出不窮，而且取得了一定的效果，但是表面改性之后纖維的界面性能始終存在一個上限(層間剪切強度55MPa)。研究者發現，存在界面性能上限的原因是由于表面改性之后的芳綸復合材料在其界面破壞的時候，出現了破壞面的轉移，由傳統的纖維/樹脂脫粘接引起的破壞面變成了纖維皮芯層剝離引起的破壞面。這說明芳綸復合材料中纖維的皮芯層結構是限制其界面性能的關鍵因素。

基于此，研究者提出了許多針對纖維皮芯結構的弱化方法，主要包括兩個方面。第一是皮芯結構的物理堆積結構的均一化，主要通過弱化紡絲過程中凝固浴的凝固強度，增加凝固時間來實現；第二是通過化學結構設計提升皮芯層的應力傳遞性，通常是在大分子鏈間引入H鍵/共價交聯等多種相互作用，提升整體皮層和芯層之間的互相支撐。然而，盡管上述這些方法增強了皮芯之間的連接能力，一定程度上提高了纖維界面剪切強度，但仍然不能完全消除皮芯結構，其層間剪切性能仍然難以突破，同時還會使纖維制備工藝復雜化。

申請人從最近的實驗研究結果中仔細觀察發現芳綸的界面破壞呈現一種新的特征，即纖維皮層的撕裂，并且該撕裂行為進一步地沿著纖維軸向方向出現大幅度的擴展，變成絲條狀。而考慮到高性能纖維本征皮層的物理特性，聯想到是纖維皮層的高度取向結構導致了這一現象。在整體界面剪切應力由樹脂傳遞到纖維皮層上時，其作用在皮層某一處產生缺陷，形成與芯層的微相剝離。而由于本身皮層的高取向性，該缺陷將快速在纖維皮層沿著軸向方向形成擴展延伸，類似竹子形成絲條狀皮層撕裂，最終導致纖維界面破壞。那么是否可以通過纖維皮層高取向的弱化提升其皮層抗撕裂的特性，最終提升其界面性能呢？但是，根據文獻報道，纖維皮層的高取向性對于其本征優異的力學性能至關重要，而通過皮層取向的降低來提升其界面性能將會以犧牲纖維本身力學性能為巨大代價。

因此，亟需發展新的簡單有效的方法，在保持芳綸本征優異的力學性能的基礎上，進一步提高芳綸的界面剪切性能，制得高性能的芳綸增強復合材料。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種界面性能優異的芳香族聚合物纖維及其環氧復合材料。

本發明提供了一種碳納米管衍生物，所述碳納米管衍生物是芳香族聚酰胺大分子修飾的碳納米管。

進一步地，所述芳香族聚酰胺大分子是以對苯二甲酰氯與二苯胺為單體聚合得到的，所述二苯胺選自對苯二胺、5(6)-胺基-2-(4-胺基苯基)苯并咪唑、4，4-二氨基二苯醚、3，4二氨基二苯醚中的一種或兩種以上，所述芳香族聚酰胺大分子上無HCl絡合；

優選的，所述芳香族聚酰胺大分子為含苯并咪唑結構的芳香族聚酰胺，結構如式a所示：