[发明专利]一种芳纶纤维表面活化的化学方法

说明书

技术领域

本发明涉及芳纶纤维表面活化技术领域，尤其涉及一种芳纶纤维 表面活化的化学方法。

背景技术

芳纶纤维以其低密度、高强度、高刚度、高耐热性和良好的耐化 学环境性等优点，被作为一种优异的增强材料，广泛地应用于航空、 航天等高科技领域的先进复合材料技术中，但是在液晶纺丝过程中所 形成的高度取向和结晶结构，致使芳纶纤维呈现出强的表面化学惰 性，这大大降低了其与树脂基体间的界面粘接强度，从而对复合材料 的综合力学性能产生了极大的负面影响，因此，对芳纶纤维进行表面 活化研究一直是先进复合材料领域的热点和难点。

国内外现有的芳纶纤维表面活化方法主要包括物理、化学以及两 者的综合应用等三种方法，但大部分仍作为实验研究，无法得到大规 模工业应用，原因在于：物理方法主要是利用超声振荡使纤维表面附 近的液体发生空化作用，空化作用所释放出的能量可以剥离纤维表面 薄弱层，减少应力集中点，但这种方法并未解决影响复合材料界面粘 接强度的本质因素，即化学惰性，所以，活化效果差。化学方法包括 两种途径：一是利用强氧化性酸的腐蚀作用，剥离纤维表面的薄弱层， 并造成刻蚀性坑、槽，从而利用树脂固化在坑、槽当中的物理镶嵌和 铆接作用，增加芳纶纤维与树脂基体之间的界面粘接强度，这种途径 的缺点在于难以控制腐蚀程度和刻蚀深度，往往直接破坏到芳纶纤维 的本体结构，导致其本体强度的大幅降低；二是利用化学接枝反应在 芳纶纤维表面引入活性基团，从而在芳纶纤维、树脂和固化剂之间形 成稳定的化学键合作用，提高复合材料的界面粘接强度，但传统化学 方法主要利用芳纶分子链中酰胺基团中的氢原子作为反应中心，而该 氢原子的反应活性却被其周围存在的羰基、苯环的强烈共轭作用严重 钝化，加之苯环的空间位阻效应，反应活性进一步降低，因而活化效 果差。物理和化学方法综合运用主要是利用等离子或高能射线等物理 手段在纤维表面产生短时间的自由基或带电粒子等活性中心，然后利 用链式化学反应在纤维表面接枝活性短支链，这种方法的缺点在于成 本过高、工艺操作性差、活化效果存在退化效应。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种芳纶 纤维表面活化的化学方法，在不破坏本体结构的前提下，提高芳纶纤 维的表面活性，并具有成本低、工艺操作性强、表面活化效果好、活 化效果不存在退化效应、社会效益好的优点，适用于批量工业生产。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种芳纶纤维表面活化的化学方法，以芳纶纤维作为活化对象， 利用其分子链中大量存在的苯环与环氧氯丙烷发生付瑞德-克拉夫茨 反应，将环氧氯丙烷接枝到芳纶纤维表面形成邻氯代醇侧链，然后利 用碱性溶液使其环氧化成活性侧链。

一种芳纶纤维表面活化的化学方法，具体步骤如下：

第一步，将芳纶纤维、表面活化剂环氧氯丙烷、无水三氯化铝按 物质的量1∶(3～4)∶(1.5～3)的比例称取，并各自干燥，

第二步，按物质的量1∶(3～4)的比例将干燥过的芳纶纤维和 环氧氯丙烷分别加入带有冷凝回流装置的反应釜中，

第三步，在氮气保护的条件下，将反应釜加热到110～120℃进 行接枝反应，反应过程中，分2～4次加入总量为第一步称取并干燥 过的无水三氯化铝，每次加入的量相同，反应进行20～120分钟后， 使反应釜自然降至室温，取出芳纶纤维，

第四步，用工业纯丙酮对第三步得到的芳纶纤维浸泡24小时， 再用蒸馏水冲净纤维表面粘附的污物，

第五步，将第四步得到的芳纶纤维放入30％～50％的氢氧化钠溶 液中，在25～35℃温度条件下进行50～70分钟的环氧化反应，反应 完毕取出芳纶纤维，

第六步，用蒸馏水冲洗第五步得到的芳纶纤维，直至pH试纸指 示芳纶纤维表面粘附溶液显示中性为止，

第七步，将第六步得到的芳纶纤维放入90～110℃的真空干燥箱， 烘干2～3小时，得到表面活化的芳纶纤维。

本发明具有如下优点：

一、由于采用的化学试剂价格低廉，表面活化工艺方法简便、易 行，故而具有成本低、工艺操作性强的优点，适用于批量工业生产；

二、由于引入的高活性环氧侧链是通过稳定的化学键合作用接枝 在芳纶纤维表面，如下式所示：

所以，本方法的表面活化效果不存在退化效应；