[发明专利]一种表面改性芳纶纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机纤维及其制备方法，特别涉及一种芳纶纤维及其制备方法。

背景技术

芳纶是一种新型高科技合成纤维，具有高强度、高模量、高耐热、低膨胀、低导热、耐化学腐蚀以及优良的介电性能，在航空航天、船舶、军事用品、土木建筑、电子和体育用品等多个领域具有广泛的应用。在芳纶纤维的众多用途中，超过30％的比重为作为增强材料制备树脂基复合材料。但是由于芳纶纤维特殊的结构导致其表面光洁、活性基团少，表面能较低，与树脂基体的粘结性很差，制成复合材料的力学性能受到很大的影响，这限制了芳纶纤维自身优越性的发挥。因此需要对其表面进行改性处理，以改变纤维的表面性能，改善芳纶纤维与树脂的结合效果，更好地发挥芳纶本身优异的力学性能，提高纤维增强树脂复合材料的性能。

研究者们对提升芳纶纤维的表面粘结性做出大量工作，主要是采用化学改性方法、物理改性方法以及这两种方法的结合，其目的均是使纤维表面产生大量活性官能团，以提高其表面活性。物理改性方法主要依靠高能射线在纤维表面产生刻蚀效果，增加纤维表面粗糙度，改善其表面性能，从而提高纤维的界面性能。化学改性方法是利用化学反应，在纤维表面引入-COOH，-OH，-C＝O，-NH₂等活性官能团，引入的活性官能团既能使纤维与树脂基体发生化学反应产生共价键，又增加了纤维表面的物理摩擦性，从而增加了纤维的界面性能。芳纶纤维常用的化学改性方法有化学接枝，化学刻蚀，偶联剂改性和稀土改性等方法，其中，化学接枝法是现阶段研究人员使用较多的方法。池晓智等利用1,6-己烷二异氰酸脂对芳纶进行表面接枝改性处理，在纤维表面接枝上活泼的-NH₂基团，能与环氧树脂形成良好的界面结合，提高复合材料的层间剪切性能。Tao Ai等人对芳纶进行金属化反应和烷氧基硅烷接枝反应，在芳纶分子链上接枝烷氧基硅烷，结果显示，纤维与树脂基体的接合力显著提高，复合材料的层间剪切强度增加约57％。但是，这些化学接枝改性只是在纤维表面引入小分子量的化合物，水解后只能产生一个与树脂结合的结合位点，对提升纤维与树脂表面粘结作用的局限性很大，从而难以提高纤维/树脂复合材料的力学性能。

发明内容

本发明针对现有技术中改性芳纶纤维表面活性不足，芳纶纤维与树脂复合材料界面粘结力差，复合材料综合性能较低以及改性过程中有机溶剂污染环境等问题，提供一种表面活性高且绿色环保的新型芳纶纤维及其制备方法。

本发明中“用量”、“份”均是质量基准，且各组分的量都以1000份芳纶纤维为基准。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是一种表面改性芳纶纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)配制表面处理剂：将二异氰酸酯A和有机锡催化剂混合溶于有机溶剂中，形成质量分数为30～50％均匀溶液，得到表面处理剂；

(2)制备超支化聚氨酯：在反应釜中加入10～15份二异氰酸酯B、5～10份多缩乙二醇和有机锡催化剂，升温至60～80℃，搅拌反应1～2小时；加入1～2份扩链剂A，同时加入1～3份调粘剂，搅拌反应3～5小时；再加入酸性溶剂，搅拌10～50分钟；将反应液缓慢加入高速搅拌的80～100份质量分数为0.15％～0.5％扩链剂B的水溶液中，并升温至60～80℃，搅拌反应1～3小时，得到超支化聚氨酯，其结构式为式(1)：

式(1)中，超支化聚氨酯的端基包括异氰酸酯基、氨基和/或羟基等活性官能团，R₁为聚氨酯分子链基，R₂和R₃为烷烃基，超支化聚氨酯的分子量为5000～50000；其中R₁的结构通式如式(2)，式(2)中R₄和R₅均为脂肪族链烃基；

(3)芳纶表面处理：将芳纶纤维连续通过上油机的压辊，并用上述表面处理剂浸没芳纶纤维，然后进入烘道干燥，烘道温度120～150℃，得到表面偶联异氰酸酯基的改性芳纶纤维；

(4)表面接枝处理：将上述纤维通入装满超支化聚氨酯的凹槽中，浸润后进入烘道，在催化剂的作用下进行接枝反应并烘干，烘道温度130～160℃，得到表面接枝超支化聚氨酯的改性芳纶纤维。

所述二异氰酸酯A结构通式为OCN-R′-NCO，R′包括碳原子数为2～10的碳链脂肪烃基取代苯基或萘基，进一步优选亚甲基环己基、二亚甲基、癸烯基、己基或三甲基己基取代苯基。

所述二异氰酸酯B包括碳原子数小于10的脂肪族链烃基二异氰酸酯，进一步优选六亚甲基二异氰酸酯或三甲基六亚甲基二异氰酸酯。