改性紡織結(jié)構(gòu)芳綸纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料的界面性能研究

計 翔

（上海質(zhì)量監(jiān)督站，上海 200120）

聚芳酰胺纖維統(tǒng)稱為芳綸纖維。芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)中的酰胺基團和苯環(huán)形成了共軛效應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)中的內(nèi)旋位能比較高，芳綸纖維的分子鏈呈現(xiàn)為平面的剛性伸直鏈，導(dǎo)致芳綸纖維的定向度和結(jié)晶度較高，因此，芳綸纖維有著極高的拉伸強度和拉伸模量，同時具備密度小的優(yōu)點，吸能性和減震能力良好。有學(xué)者提出使用改性紡織結(jié)構(gòu)提高芳綸纖維的力學(xué)性能，尤其是可以大幅度提升芳綸纖維的界面性能。

1 芳綸纖維的基本概念

芳綸纖維簡單來說是由芳香族基構(gòu)成的一種聚酰胺纖維，該分子結(jié)構(gòu)中的芳香族基都和酰胺基相連，這種分子結(jié)構(gòu)使芳綸纖維具有密度小和伸縮模量高的性質(zhì)。此外，芳綸纖維由于本身的化學(xué)性質(zhì)不是很活潑，具有阻燃性強的特點，還具有耐高溫、抗腐蝕等性能。這些優(yōu)勢使芳綸纖維在全球眾多行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。起初，芳綸纖維作為環(huán)氧樹脂的增強材料，可制成強度比較高的復(fù)合材料應(yīng)用于航空設(shè)備、軍事用品以及船舶中。

2 芳綸纖維紡織結(jié)構(gòu)改性的研究現(xiàn)狀

芳綸纖維有很多優(yōu)點，包括優(yōu)異的力學(xué)性能以及化學(xué)性能。由于該類材料表面的分子鏈取向度特別高、有極高的結(jié)晶度，具有伸縮模量高、拉伸模量高以及密度小的優(yōu)點，但其缺點也顯而易見。芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)產(chǎn)生的大位阻作用使酰胺基團中的氫元素很難和其他原子反應(yīng)，而且芳綸纖維的表面比較光滑，和基體沒有物理層面的嚙合點，導(dǎo)致芳綸纖維在液體中的浸潤性比較差，和其他基體形成復(fù)合材料時的界面黏合度也比較低，降低了芳綸材料構(gòu)成的復(fù)合材料的性能。因此，對芳綸纖維的改性研究十分重要。當(dāng)前，改性的方法主要有物理層面和化學(xué)層面兩大類，這些方法可以有效地降低芳綸纖維表面分子結(jié)構(gòu)的取向度，增加表面的活性基團，進而提高芳綸纖維材料表面的粗糙度，增強芳綸纖維材料構(gòu)成的復(fù)合材料的界面性能，達到提升復(fù)合材料整體性能的目的。物理方法包括對芳綸纖維材料的表面進行涂層、等離子改性、使用高能射線對芳綸纖維進行輻射、超聲浸漬等。

3 多巴胺改性方法的研究現(xiàn)狀

多巴胺可以通過反應(yīng)讓基體在潮濕的環(huán)境下具有較強的黏附能力，并且在沉積的過程中有多種羥基和亞胺官能團，這些分子可以作為改性材料進一步功能化的渠道。目前，有很多科學(xué)家對多巴胺改性方法展開了研究。

有材料領(lǐng)域研究人員在化學(xué)改性方法中使用了多巴胺這種物質(zhì)，分別在酸性、中性以及堿性溶液中，以硫酸銨作為氧化劑，促使多巴胺發(fā)生聚合反應(yīng)，并且在反應(yīng)的過程中嘗試對基底進行改性，比如玻璃、纖維素等無機物質(zhì)。實驗結(jié)果證明，多巴胺可以在不同的物質(zhì)上進行氧化自聚合，并且可以成功地形成多巴胺涂層，提高復(fù)合材料的黏附能力。他還通過X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）、接觸角和原子力顯微鏡（AFM）的實驗證明，用多巴胺改性的基底物質(zhì)的表面活性官能團數(shù)量明顯增多，親水能力也得到明顯改善，這些特性會使改性材料的表面變得更加粗糙[1]。

4 不同的改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

4.1 硅烷偶聯(lián)劑改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

使用硅烷偶聯(lián)劑對芳綸纖維的表面進行處理后，從掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的照片（圖1～2）中可以明顯地看到，芳綸纖維呈圓柱狀，雖然黏附能力的提升幅度不大，但是局部依然有少量膜狀物質(zhì)。從這一層面看，硅烷偶聯(lián)劑確實可以改變芳綸纖維的界面性能，提高芳綸纖維的黏附能力。經(jīng)過測試可知，使用硅烷偶聯(lián)劑改性的芳綸纖維的界面剪切強度（Interfacial Shear Strength，IFSS）由26.3 MPa轉(zhuǎn)變?yōu)?7.5 MPa，由此可見，硅烷偶聯(lián)劑改性確實可以改變芳綸纖維的剪切強度[2-3]。

圖1 硅烷偶聯(lián)劑改性前

圖2 硅烷偶聯(lián)劑改性后

4.2 乙酸酐改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

使用乙酸酐改性方法對芳綸纖維的表面進行處理前，芳綸纖維表面呈光滑的圓柱狀，從SEM照片（圖3）中可以看到，使用乙酸酐改性方法處理后，芳綸纖維的表面已經(jīng)被腐蝕得比較嚴(yán)重，大部分表層物質(zhì)開始脫落，這種改性方法可以使芳綸纖維的表面積增大，出現(xiàn)物理層面的嚙合點，有利于芳綸纖維和其他基底材料結(jié)合。由此可以判斷，乙酸酐改性方法使芳綸纖維的表面產(chǎn)生了大幅度的形變，可以想象乙酸酐在芳綸纖維的表面發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)雖然對纖維的表面處理有顯著的效果，但是對芳綸纖維的本體造成了比較嚴(yán)重的破壞，所以乙酸酐改性方法肯定會在一定程度上降低芳綸纖維的強度。在復(fù)合材料中，相比于黏附能力，各個材料的纖維強度更為重要。經(jīng)測試，使用乙酸酐改性的芳綸纖維材料的IFSS由之前的26.3 MPa轉(zhuǎn)變成40.1 MPa。從測試結(jié)果看，乙酸酐改性方法對芳綸纖維剪切強度的提升效果較好。但是，在測試過程中出現(xiàn)了多次芳綸纖維被拉斷的情況，證明乙酸酐改性方法會使芳綸纖維的強度變得更低，讓芳綸纖維變得很脆[4]。

圖3 乙酸酐改性后

4.3 多巴胺改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

沒有經(jīng)過改性處理的芳綸纖維表面比較光滑，基本上看不到凹凸不平的結(jié)構(gòu)。使用多巴胺改性方法對芳綸纖維的表面進行處理后可以看出，芳綸纖維的表面出現(xiàn)了較大變化，變得凹凸不平，極大程度地增加了芳綸纖維的表面積，使芳綸纖維和其他基底材料進行復(fù)合時可以大幅度提高黏附效果。由此可見，多巴胺改性方法可以有效地提高芳綸纖維復(fù)合材料的界面性能，提升芳綸纖維和基底材料之間的結(jié)合強度。經(jīng)測試，使用多巴胺改性的芳綸纖維復(fù)合材料的IFSS由最初的26.3 MPa變成了34.7 MPa，可見，多巴胺改性方法明顯提升了芳綸纖維的剪切性能，這和芳綸纖維環(huán)氧界面性能的強度提升有直接聯(lián)系。通過SEM照片（圖4）可以明顯地觀察到，改性后的芳綸纖維表面非常粗糙，和基底材料有更大的接觸面，這些都可以表現(xiàn)為剪切效果的大幅度提升。實際上，多巴胺是一種胺類高聚物，本身就可以作為固化劑使用，在復(fù)合材料中可以直接打開環(huán)氧結(jié)構(gòu)和材料中的環(huán)氧分子形成化學(xué)鍵，這也是使用多巴胺改性方法對芳綸纖維進行改性后，芳綸纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合后的IFSS有較大提升的原因[5]。

圖4 多巴胺改性方法處理后

5 結(jié)語

本研究首先簡單介紹了芳綸纖維改性的研究現(xiàn)狀和芳綸纖維的基本概念，其次重點分析了多巴胺改性研究，最后分析了不同改性方法對芳綸纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的影響，測試發(fā)現(xiàn)，多巴胺改性方法可以大幅度提高芳綸纖維材料的界面性能。