PPTA纖維表面改性及其性能研究.pdf

1、PPTA纖維全稱聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，它是一種高科技纖維。由于其具有優(yōu)異的性能如超高強度、高模量和耐高溫而成為復(fù)合材料中最常用、最重要的增強材料之一。然而PPTA纖維表面光滑、表面因缺少活性與極性基團而呈化學(xué)惰性、表面自由能低，在與樹脂復(fù)合時，樹脂不能很好地浸潤纖維表面，纖維與樹脂基體間的相互作用力較弱，從而影響二者的界面性能，最終導(dǎo)致復(fù)合材料無法最大限度地發(fā)揮各組分的優(yōu)異性能。因此，亟需采取有效的改性方法對PPTA纖維表面進行修飾

2、，以提高PPTA纖維/樹脂基體間的浸潤性能與界面粘結(jié)性能。本文主要運用酶催化引發(fā)接枝法和等離子體引發(fā)接枝聚合法處理纖維，并比較分析結(jié)果；運用拉曼光譜技術(shù)探討了PPTA纖維/環(huán)氧樹脂界面應(yīng)力傳遞行為。
　　本文首先探討了生物酶催化接枝處理對PPTA纖維/環(huán)氧樹脂界面剪切強度的影響，運用正交試驗方法探討最佳處理條件，對處理前后纖維表面元素組成及官能團變化進行了紅外光譜測試（IR）及X射線光電子能譜測試（XPS），對纖維表面形貌及粗糙度

3、進行了場發(fā)射掃描電鏡（SEM）和原子力顯微鏡測試（AFM），采用微脫粘法對處理前后單根PPTA纖維/環(huán)氧樹脂間界面剪切強度（IFSS）進行了表征，此外還對纖維的蠕變性能進行了表征，最后通過力學(xué)性能測試、X射線衍射（XRD）、熱重分析儀（TG）對處理前后纖維的力學(xué)性能、結(jié)晶性能及熱性能進行了分析。結(jié)果表明：處理后，纖維表面出現(xiàn)了環(huán)氧官能團，O/C比顯著增加，粗糙度提升，最佳反應(yīng)條件（反應(yīng)溫度48℃，酶濃度0.01mg/mL，單體濃度5％，

4、氧化劑濃度0.03g/mL，pH值6.9）下IFSS值最大提高了34%；蠕變伸長率降低了33.5%，力學(xué)性能、結(jié)晶性能以及熱性能并未受到明顯影響。
　　其次采用BDB等離子體引發(fā)接枝聚合技術(shù)對PPTA纖維進行改性，使纖維表面接枝上聚甲基丙烯酸縮水甘油酯，探討了接枝單體濃度、接枝時間、接枝溫度對纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響，運用正交實驗手段探討了最佳處理條件，并對處理前后纖維的表面元素、粗糙度、結(jié)晶性能、熱性能、力學(xué)性

5、能進行了表征；將等離子體引發(fā)接枝改性效果與之前面提到的酶催化引發(fā)接枝改性效果做了分析比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與生物酶催化接枝處理方法相比，該方法處理后，纖維表面C含量降低幅度及O含量增加幅度均較強，表面形成更多凸起及更多環(huán)氧官能團；該改性方法的最佳處理條件是：溫度為120℃，單體濃度為18%，時間為30min，此時IFSS值提高了43%；等離子體引發(fā)接枝聚合法更有利于提高纖維與樹脂基體之間的粘結(jié)性能，但對纖維的結(jié)晶度、熱性能及力學(xué)性能的損傷更大

6、，如處理后纖維的斷裂強度降低了16%。
　　最后采用拉曼光譜與微滴包埋拔出試驗相結(jié)合的方法研究了復(fù)合材料界面微觀力學(xué)行為。先對纖維施加大小不等的應(yīng)力，計算出頻移與應(yīng)力之間的關(guān)系，再對纖維施加一定大小的應(yīng)力，研究改性前后微滴內(nèi)部纖維軸向不同位置處應(yīng)力值及應(yīng)力傳遞行為，最后對處理前后纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料界面性能進行研究。結(jié)果表明：PPTA纖維G’峰的拉曼頻移與應(yīng)力成直線關(guān)系，頻移敏感系數(shù)為3.59cm-1/Gpa；對環(huán)氧樹脂微滴

7、包埋纖維未施加力時，微滴內(nèi)部纖維軸向應(yīng)力分布呈“M”形狀，即端點處與中心處軸向所受應(yīng)力幾乎為0GPa，在距離微滴端點40um處應(yīng)力達到最大；當(dāng)施加0.36GPa和0.51GPa外力時，應(yīng)力分布呈“U”字形，即端點處應(yīng)力最大，在中心處達到最小，且纖維軸上應(yīng)力均小于外界作用力；在施加相同應(yīng)力時，處理后纖維軸向應(yīng)力均小于未處理纖維軸向應(yīng)力，纖維與樹脂間應(yīng)力傳遞效果更好，說明二者之間粘結(jié)性能更好；纖維軸向界面切應(yīng)力分布呈反對稱圖形，未處理纖維軸