化学纤维改性

1、化学纤维改性方法化学纤维改性方法第一章 概述l高性能化的主要途径有：高性能化的主要途径有：l创制新颖创制新颖分子结构分子结构的高分子；的高分子；l通过变更聚合催化剂、聚合通过变更聚合催化剂、聚合工艺条件工艺条件、共聚、共混、共聚、共混、交联、结晶化等进行高分子结构改性；交联、结晶化等进行高分子结构改性；l通过新的通过新的加工方法加工方法，改变聚合物聚集态结构，达到，改变聚合物聚集态结构，达到高性能化；高性能化；l通过微观通过微观复合方法复合方法，例如原位复合、分子复合、自，例如原位复合、分子复合、自增强，达到高性能化。对现有品种的改性是今后提高增强，达到高性能化。对现有品种的改性是今后提高性能

2、、发展品种最主要的途径。性能、发展品种最主要的途径。第一章 概述l今后复合材料领域中的研究方向主要是：今后复合材料领域中的研究方向主要是：l高强高模纤维增强剂的研究与开发；高强高模纤维增强剂的研究与开发；l创制兼具优良强度、成型加工性和耐热性的新创制兼具优良强度、成型加工性和耐热性的新基体树脂的开发；基体树脂的开发；l界面特性、粘接性提高及其评价技术的改进；界面特性、粘接性提高及其评价技术的改进；l确立无损检测技术，提高复合材料可靠性；确立无损检测技术，提高复合材料可靠性；l微观复合和宏观复合的综合利用；微观复合和宏观复合的综合利用；l崭新成型加工技术的开发。崭新成型加工技术的开发。第一章 概

3、述l碳纤维、玻璃纤维的断裂伸长率小。玻璃纤碳纤维、玻璃纤维的断裂伸长率小。玻璃纤维的耐磨性、耐扭断性差维的耐磨性、耐扭断性差, 吸水后裂纹扩展吸水后裂纹扩展, 更降低了本身的耐磨性、耐扭断性。碳纤维更降低了本身的耐磨性、耐扭断性。碳纤维存在脆性等缺点。存在脆性等缺点。l目前复合材料已向结构件、主承力件、承受动载荷、冲击载目前复合材料已向结构件、主承力件、承受动载荷、冲击载荷件的方向发展。但是，碳纤维、玻璃纤维的断裂伸长率小。荷件的方向发展。但是，碳纤维、玻璃纤维的断裂伸长率小。玻璃纤维的耐磨性、耐扭断性差，吸水后裂纹扩展，更降低玻璃纤维的耐磨性、耐扭断性差，吸水后裂纹扩展，更降低了本身的耐磨性

4、、耐扭断性。碳纤维存在脆弱性等缺点，因了本身的耐磨性、耐扭断性。碳纤维存在脆弱性等缺点，因此高性能纤维的可纺性、可织性较差。此高性能纤维的可纺性、可织性较差。l高性能纤维表面活性能低，基体与纤维在界面上难以形成理高性能纤维表面活性能低，基体与纤维在界面上难以形成理想的结合想的结合，这将会严重影响复合材料的力学性能这将会严重影响复合材料的力学性能。对高性能。对高性能纤维进行表面处理是解决这些问题的最有效的方法。这一领纤维进行表面处理是解决这些问题的最有效的方法。这一领域的研究十分活跃，并取得了许多重要成果。域的研究十分活跃，并取得了许多重要成果。 第二章 玻璃纤维l在拉制连接玻璃纤维中，在单根纤

5、维表面涂敷的一种由粘在拉制连接玻璃纤维中，在单根纤维表面涂敷的一种由粘结组分、润滑组分和表面活性剂配置合成的乳液统称为浸结组分、润滑组分和表面活性剂配置合成的乳液统称为浸润剂，分成纺织型和增强型两种。润剂，分成纺织型和增强型两种。l20世纪世纪80年代国外开发了增强纺织型浸润剂。中国使用年代国外开发了增强纺织型浸润剂。中国使用的纺织型浸润剂主要是石蜡型浸润剂。国际上广泛使用的的纺织型浸润剂主要是石蜡型浸润剂。国际上广泛使用的是淀粉油浸润剂。是淀粉油浸润剂。l纺织型浸润剂具有良好的集束性、浸滑性、成膜性和抗静纺织型浸润剂具有良好的集束性、浸滑性、成膜性和抗静电性。主要用于生产玻璃纤维纺织加工制品

6、，如玻璃纱线电性。主要用于生产玻璃纤维纺织加工制品，如玻璃纱线和织物等。和织物等。l增强型浸润剂增强型浸润剂是专门为了生产增强用玻璃纤维发展起来的，是专门为了生产增强用玻璃纤维发展起来的，它除了能它除了能满足纤维生产工艺满足纤维生产工艺要求外，还要满足要求外，还要满足纤维制品加纤维制品加工以及玻璃纤维复合材料成型工以及玻璃纤维复合材料成型中的多方面要求，更主要的中的多方面要求，更主要的是是改善树脂对纤维浸润行，提高树脂与纤维的粘接力改善树脂对纤维浸润行，提高树脂与纤维的粘接力。主主要成分油：成膜剂、偶联剂、润滑剂和润湿剂、抗静电剂要成分油：成膜剂、偶联剂、润滑剂和润湿剂、抗静电剂及其它添加剂及

7、其它添加剂。l增强纺织型亲润剂增强纺织型亲润剂是国际上80年代新发展的用于三向编织纱的亲润剂，其纱既有良好的纺织性能既有良好的纺织性能，可经受苛刻的制可经受苛刻的制造条件而保持较高的强度，又可直接浸润树造条件而保持较高的强度，又可直接浸润树脂，有较高的浸透性。脂，有较高的浸透性。l此种浸润剂的成膜剂主要采用水溶性聚氨酯乳主要采用水溶性聚氨酯乳液，聚丙烯酸酯乳液等液，聚丙烯酸酯乳液等。此种浸润剂已在中国研制成功，定名为N-40系列增强型亲润剂。 l研究表明，玻璃纤维经研究表明，玻璃纤维经0.2阳离子活性剂水溶液阳离子活性剂水溶液处理后，耐磨性提高处理后，耐磨性提高200多倍，经多倍，经A-172

8、硅烷偶联硅烷偶联剂处理，耐扭断性液可大幅度提高。剂处理，耐扭断性液可大幅度提高。l而且，经硅烷偶联剂处理的玻璃纤维能有效地解决玻璃纤维增强聚丙烯复合材料中，由于聚丙烯基体材料地非极性而导致纤维界面粘性差，影响复合材料的力学性能的问题，l研究表面，马来酸酐接枝改性的基体与未经偶联马来酸酐接枝改性的基体与未经偶联剂溶液处理的玻璃纤维能产生化学反应，形成良剂溶液处理的玻璃纤维能产生化学反应，形成良好的界面粘性，显著提高复合材料的拉伸、弯曲好的界面粘性，显著提高复合材料的拉伸、弯曲性能。性能。 第三章 芳纶纤维 l芳芳纶纤维表面改性方法主要有纶纤维表面改性方法主要有化学改性和物理改性方法化学改性和物理

9、改性方法两种。两种。l化学改性是化学改性是通过硝化通过硝化/还原、卤氯磺化等化学反应，在纤维表还原、卤氯磺化等化学反应，在纤维表面引入胺基等活性或极性基团，通过化学键合或极性作用提面引入胺基等活性或极性基团，通过化学键合或极性作用提高纤维与基体之间的粘合强度高纤维与基体之间的粘合强度；l而物理改性方法则是而物理改性方法则是通过等离子体通过等离子体，电子束电子束等物理技术对纤等物理技术对纤维维表面进行刻蚀和清洗，并在纤维表面引入羟基、表面进行刻蚀和清洗，并在纤维表面引入羟基、 羰基等极羰基等极性或活性基团，还可以在纤维表面形成一些活性中心，进而性或活性基团，还可以在纤维表面形成一些活性中心，进而

10、引发接枝聚合，通过刻蚀、清洗、活化和接枝的综合作用，引发接枝聚合，通过刻蚀、清洗、活化和接枝的综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，进而提高纤维与基体之间改善纤维表面的物理和化学状态，进而提高纤维与基体之间的相互作用。的相互作用。l在上述改性方法中，在上述改性方法中，冷等离子体改性冷等离子体改性是应用最为广泛的一种。是应用最为广泛的一种。 第四章 碳纤维l碳纤维存在脆弱性和抗氧化性等缺点，很碳纤维存在脆弱性和抗氧化性等缺点，很少单独使用。若单独使用，在弯曲时极易少单独使用。若单独使用，在弯曲时极易破坏。故常与基体材料复合，加工成型成破坏。故常与基体材料复合，加工成型成不同的复合材料。不同的复

11、合材料。第四章 碳纤维l为了促进碳纤维与基体（金属、陶瓷、橡胶等）两相之间为了促进碳纤维与基体（金属、陶瓷、橡胶等）两相之间的粘接，提高复合材料性能，一般对碳纤维进行涂层处理，的粘接，提高复合材料性能，一般对碳纤维进行涂层处理，所获得的涂层制品皆可称之为碳纤维中间产品。所获得的涂层制品皆可称之为碳纤维中间产品。l树脂基复合材料中间制品将是热固性或热塑性树脂浸渍、树脂基复合材料中间制品将是热固性或热塑性树脂浸渍、涂膜或混炼到碳纤维束丝或短切纤维。涂膜或混炼到碳纤维束丝或短切纤维。l毡或织物中制成不同品种的预浸料、粒料和片状模塑等半毡或织物中制成不同品种的预浸料、粒料和片状模塑等半成品；成品；金属

12、基复合材料中间制品是采用金属基复合材料中间制品是采用CVD、熔融金属预、熔融金属预浸剂、离子镀和电镀等方法，将涂层物（如钛硼钠锌镁铜浸剂、离子镀和电镀等方法，将涂层物（如钛硼钠锌镁铜锆硅及其碳化物）复合到碳纤维表面，制成涂层（单层成锆硅及其碳化物）复合到碳纤维表面，制成涂层（单层成分或多层成分）的碳束丝，再通过基体金属熔融，使液态分或多层成分）的碳束丝，再通过基体金属熔融，使液态金属基体均匀地浸渍到已涂层地纤维束中，形成金属基复金属基体均匀地浸渍到已涂层地纤维束中，形成金属基复合体。合体。 碳纤维l由于碳纤维为圆截面，比表面积小，边缘活性原子少，表由于碳纤维为圆截面，比表面积小，边缘活性原子少

13、，表面能低，表面与树脂接触角大，使得纤维与树脂接触不良。面能低，表面与树脂接触角大，使得纤维与树脂接触不良。为了克服这些缺陷，为了克服这些缺陷，常对纤维进行表面氧化处理、涂层处常对纤维进行表面氧化处理、涂层处理、电聚合和电沉积处理、等离子体处理。理、电聚合和电沉积处理、等离子体处理。l氧化处理氧化处理由气相、液相、阳极氧化三类。所有的氧化处理由气相、液相、阳极氧化三类。所有的氧化处理都是减量处理，即纤维在氧化的刻蚀作用下，被清洁、剥都是减量处理，即纤维在氧化的刻蚀作用下，被清洁、剥离和粗化。离和粗化。l涂层法涂层法一般多应用沉积土层法，在高温或还原气氛中使金一般多应用沉积土层法，在高温或还原气

14、氛中使金属卤化物等以碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜。属卤化物等以碳化物的形式在纤维表面形成沉积膜。l电聚合法电聚合法是将现瓦诶作为阳极，在电极液中加入含不饱和是将现瓦诶作为阳极，在电极液中加入含不饱和的丙稀酸酯、苯乙烯、丙稀腈等大单体，通过电极反应产的丙稀酸酯、苯乙烯、丙稀腈等大单体，通过电极反应产生自由基，在纤维表面发生聚合形成含有大分子支链的碳，生自由基，在纤维表面发生聚合形成含有大分子支链的碳，以提高碳纤维表面活性。以提高碳纤维表面活性。碳纤维l对对碳纤维碳纤维进行进行等离子表面处理等离子表面处理的研究和应用成果的研究和应用成果很多。很多。l目前，常用的方法由目前，常用的方法由l（1）

15、冷等离子体表面处理。冷等离子体表面处理。在低压（在低压（220Pa）下，相密闭的容器输入高频电源（一般下，相密闭的容器输入高频电源（一般13.6Hz）电感耦合而使气体产生等离子，依气体的化学处电感耦合而使气体产生等离子，依气体的化学处理活性不同，可分为惰性气体（理活性不同，可分为惰性气体（N2、Ar、He）等离子体处理活性气体（等离子体处理活性气体（O2、NH3、CO2）等离）等离子体处理。子体处理。l（2）电晕放电等离子体处理，电晕放电等离子体处理，使用的气体可以使用的气体可以是惰性气体或活性气体、碳纤维表面等离子体处是惰性气体或活性气体、碳纤维表面等离子体处理后，理后，拉伸强度提高拉伸强度提高70左右左右。 l表面（活化）处理表面（活化）处理l 由于由于碳纤维碳纤维本身的结构特征（沿纤维轴向择优本身的结构特征（沿纤维轴向择优l 取向的同质多晶）以及石墨表面能低，纤维不能被取向