[发明专利]一种直接成型制备芳纶蜂窝的方法

说明书

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种直接成型制备芳纶蜂窝的方法。本方法先将芳纶纳米纤维或与芳纶其他组分组成的混合物直接预成型成厚壁蜂窝结构，然后脱水干燥，利用纳米纤维的自聚集带来的体积收缩效应，制备成最终的薄壁蜂窝结构。通过添加芳纶短纤、浆粕、沉析纤维或粉末，调节最终蜂窝的结构和力学性能。本方法制备的芳纶蜂窝，不含胶粘剂，不仅简化了蜂窝制备过程，而且大大扩展了蜂窝原材料的使用范围以及芳纶蜂窝的应用范围。本发明制备的芳纶蜂窝不存在胶粘剂和芳纶纸粘合的界面，也不存在芳纶纸制备过程中产生纵横力学性能差异问题，可以制备成各种形状，或者在一块蜂窝材料中同时形成多种不同的蜂窝结构。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种直接成型制备芳纶蜂窝的方法。

技术背景

传统芳纶蜂窝是由芳纶纸和胶粘剂复合而成的一类具有蜂窝结构且性能优异的复合材料，具有重量轻、耐高温、耐腐蚀、制品尺寸稳定等特点，在航空航天、国防、轨道交通等众多领域具有不可替代的应用价值。但是到目前为止芳纶蜂窝在制备技术和应用上都存在很多问题。一是芳纶纸制备技术难度大。芳纶纸一般是由芳纶短纤、浆粕和芳纶沉析纤维用湿法抄纸方法制备而成。由于芳纶纤维亲水性差，在水中分散困难；纤维间氢键作用力较低，纤维刚性变形困难，尤其是对位芳纶纤维没有熔点难以通过加热塑化提高纤维间结合力。所以要制备结构均匀、力学强度高的芳纶纸在技术上难度极大。二是制备蜂窝时胶粘剂的使用大幅降低了芳纶蜂窝的耐热性、阻燃性等性能，严重限制了芳纶蜂窝的应用范围。对位芳纶耐热高达550℃，间位芳纶也可以耐热超过400℃，在220℃下长期稳定使用。但是胶粘剂耐热性很难和芳纶相比，目前使用的胶粘剂耐热通常不超过200℃，而且这种胶粘剂不具有阻燃性能。同时胶粘剂的使用也大幅缩短了蜂窝材料的使用寿命。芳纶聚合物在通常情况下非常稳定，使用寿命可以长达数十年。但是胶粘剂稳定性通常弱于芳纶聚合物，在高温等特殊环境更是差距显著。因此，制备出完全由芳纶聚合物组成的蜂窝结构必将大大扩展芳纶蜂窝的使用范围，并大幅延长其使用寿命。

近些年，对位芳纶纳米纤维因为其优异的性能以及良好的可加工性成为本领域的一个研究热点。尤其专利CN105153413A报道的聚合法制备的对位芳纶纳米纤维具有极高的长径比，可以在水中均匀分散且长时间稳定。将这种纳米纤维脱水后，纳米纤维表现出强烈的自发聚集特性。也就是脱水后的纳米纤维自发融为一体，并且表现出优异的力学性能。专利CN106567274A利用对位芳纶纳米纤维制备出了的纯对位芳纶纸，不仅结构均匀，而且力学强度高。拉伸强度在不经压光情况下就可以超过60MPa。

发明内容

本发明的目的是提出一种直接成型制备芳纶蜂窝的方法，即利用芳纶纳米纤维在水中可均匀分散以及脱水后强烈的自聚集特性，使制备过程简单，并大幅提升芳纶蜂窝的性能扩展芳纶蜂窝的应用范围。

本发明提出的直接成型制备芳纶蜂窝的方法，包括以下步骤：

(1)制备芳纶纳米纤维：

在氮气保护下，将经过除水处理的聚合溶剂与助溶盐混合，混合比例为：助溶盐质量是聚合溶剂质量的5～10％，加热至80～100℃使助溶盐溶解，冷水浴冷却至5～15℃，得到第一溶液；将二胺单体加入第一溶液中，二胺单体在第一溶液中的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L，待二胺单体溶解后冷却至-5～5℃，再加入二酰氯单体，二酰氯单体与二胺单体的摩尔配比为(0.09～1.01):1，高速搅拌进行聚合反应，搅拌速度为500～2000rpm，反应时间为5～30min，得到芳纶聚合物；

向上述芳纶聚合物中加入第一分散剂，分散剂的添加量为聚合溶剂的2～10倍；高速搅拌，直至将体系分散成宏观上均一的粘稠溶液；然后在强烈搅拌下向粘稠溶液中加入凝固剂，或者将粘稠溶液注入到高速搅拌的凝固剂中，得到均匀的悬浮液，凝固剂加入量为第一分散剂的2～5倍；通过过滤、离心分离或连续逆流洗涤，去除悬浮液中残留的溶剂、分散剂、凝固剂和助溶盐，最后用第二分散剂分散得到芳纶纳米纤维分散液；

(2)制备芳纶分散体：