改性纺织结构芳纶纤维增强环氧复合材料的界面性能研究

2022-06-01计翔

纺织报告 2022年5期

计翔

（上海质量监督站，上海 200120）

聚芳酰胺纤维统称为芳纶纤维。芳纶纤维分子结构中的酰胺基团和苯环形成了共轭效应，分子结构中的内旋位能比较高，芳纶纤维的分子链呈现为平面的刚性伸直链，导致芳纶纤维的定向度和结晶度较高，因此，芳纶纤维有着极高的拉伸强度和拉伸模量，同时具备密度小的优点，吸能性和减震能力良好。有学者提出使用改性纺织结构提高芳纶纤维的力学性能，尤其是可以大幅度提升芳纶纤维的界面性能。

1 芳纶纤维的基本概念

芳纶纤维简单来说是由芳香族基构成的一种聚酰胺纤维，该分子结构中的芳香族基都和酰胺基相连，这种分子结构使芳纶纤维具有密度小和伸缩模量高的性质。此外，芳纶纤维由于本身的化学性质不是很活泼，具有阻燃性强的特点，还具有耐高温、抗腐蚀等性能。这些优势使芳纶纤维在全球众多行业领域中得到了广泛的应用。起初，芳纶纤维作为环氧树脂的增强材料，可制成强度比较高的复合材料应用于航空设备、军事用品以及船舶中。

2 芳纶纤维纺织结构改性的研究现状

芳纶纤维有很多优点，包括优异的力学性能以及化学性能。由于该类材料表面的分子链取向度特别高、有极高的结晶度，具有伸缩模量高、拉伸模量高以及密度小的优点，但其缺点也显而易见。芳纶纤维分子结构中的苯环产生的大位阻作用使酰胺基团中的氢元素很难和其他原子反应，而且芳纶纤维的表面比较光滑，和基体没有物理层面的啮合点，导致芳纶纤维在液体中的浸润性比较差，和其他基体形成复合材料时的界面黏合度也比较低，降低了芳纶材料构成的复合材料的性能。因此，对芳纶纤维的改性研究十分重要。当前，改性的方法主要有物理层面和化学层面两大类，这些方法可以有效地降低芳纶纤维表面分子结构的取向度，增加表面的活性基团，进而提高芳纶纤维材料表面的粗糙度，增强芳纶纤维材料构成的复合材料的界面性能，达到提升复合材料整体性能的目的。物理方法包括对芳纶纤维材料的表面进行涂层、等离子改性、使用高能射线对芳纶纤维进行辐射、超声浸渍等。

3 多巴胺改性方法的研究现状

多巴胺可以通过反应让基体在潮湿的环境下具有较强的黏附能力，并且在沉积的过程中有多种羟基和亚胺官能团，这些分子可以作为改性材料进一步功能化的渠道。目前，有很多科学家对多巴胺改性方法展开了研究。

有材料领域研究人员在化学改性方法中使用了多巴胺这种物质，分别在酸性、中性以及碱性溶液中，以硫酸铵作为氧化剂，促使多巴胺发生聚合反应，并且在反应的过程中尝试对基底进行改性，比如玻璃、纤维素等无机物质。实验结果证明，多巴胺可以在不同的物质上进行氧化自聚合，并且可以成功地形成多巴胺涂层，提高复合材料的黏附能力。他还通过X射线光电子能谱技术（XPS）、接触角和原子力显微镜（AFM）的实验证明，用多巴胺改性的基底物质的表面活性官能团数量明显增多，亲水能力也得到明显改善，这些特性会使改性材料的表面变得更加粗糙[1]。

4 不同的改性方法对芳纶纤维界面性能的影响

4.1 硅烷偶联剂改性方法对芳纶纤维界面性能的影响

使用硅烷偶联剂对芳纶纤维的表面进行处理后，从扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）的照片（图1～2）中可以明显地看到，芳纶纤维呈圆柱状，虽然黏附能力的提升幅度不大，但是局部依然有少量膜状物质。从这一层面看，硅烷偶联剂确实可以改变芳纶纤维的界面性能，提高芳纶纤维的黏附能力。经过测试可知，使用硅烷偶联剂改性的芳纶纤维的界面剪切强度（Interfacial Shear Strength，IFSS）由26.3 MPa转变为27.5 MPa，由此可见，硅烷偶联剂改性确实可以改变芳纶纤维的剪切强度[2-3]。

图1 硅烷偶联剂改性前

图2 硅烷偶联剂改性后

4.2 乙酸酐改性方法对芳纶纤维界面性能的影响

使用乙酸酐改性方法对芳纶纤维的表面进行处理前，芳纶纤维表面呈光滑的圆柱状，从SEM照片（图3）中可以看到，使用乙酸酐改性方法处理后，芳纶纤维的表面已经被腐蚀得比较严重，大部分表层物质开始脱落，这种改性方法可以使芳纶纤维的表面积增大，出现物理层面的啮合点，有利于芳纶纤维和其他基底材料结合。由此可以判断，乙酸酐改性方法使芳纶纤维的表面产生了大幅度的形变，可以想象乙酸酐在芳纶纤维的表面发生了剧烈的化学反应，这种化学反应虽然对纤维的表面处理有显著的效果，但是对芳纶纤维的本体造成了比较严重的破坏，所以乙酸酐改性方法肯定会在一定程度上降低芳纶纤维的强度。在复合材料中，相比于黏附能力，各个材料的纤维强度更为重要。经测试，使用乙酸酐改性的芳纶纤维材料的IFSS由之前的26.3 MPa转变成40.1 MPa。从测试结果看，乙酸酐改性方法对芳纶纤维剪切强度的提升效果较好。但是，在测试过程中出现了多次芳纶纤维被拉断的情况，证明乙酸酐改性方法会使芳纶纤维的强度变得更低，让芳纶纤维变得很脆[4]。

图3 乙酸酐改性后

4.3 多巴胺改性方法对芳纶纤维界面性能的影响

没有经过改性处理的芳纶纤维表面比较光滑，基本上看不到凹凸不平的结构。使用多巴胺改性方法对芳纶纤维的表面进行处理后可以看出，芳纶纤维的表面出现了较大变化，变得凹凸不平，极大程度地增加了芳纶纤维的表面积，使芳纶纤维和其他基底材料进行复合时可以大幅度提高黏附效果。由此可见，多巴胺改性方法可以有效地提高芳纶纤维复合材料的界面性能，提升芳纶纤维和基底材料之间的结合强度。经测试，使用多巴胺改性的芳纶纤维复合材料的IFSS由最初的26.3 MPa变成了34.7 MPa，可见，多巴胺改性方法明显提升了芳纶纤维的剪切性能，这和芳纶纤维环氧界面性能的强度提升有直接联系。通过SEM照片（图4）可以明显地观察到，改性后的芳纶纤维表面非常粗糙，和基底材料有更大的接触面，这些都可以表现为剪切效果的大幅度提升。实际上，多巴胺是一种胺类高聚物，本身就可以作为固化剂使用，在复合材料中可以直接打开环氧结构和材料中的环氧分子形成化学键，这也是使用多巴胺改性方法对芳纶纤维进行改性后，芳纶纤维与环氧树脂复合后的IFSS有较大提升的原因[5]。