设计制备杂化涂剂改善芳纶纤维及其复合材料的界面性能

摘要

芳纶纤维具备卓越的拉伸强度、韧性、模量和优异的抗冲击、耐高温等性能，芳纶纤维增强树脂基复合材料则具有优良的抗冲击性能、损伤容限、断裂韧性以及良好的可加工性能，常被应用于国防军工、航空航天等高技术领域。但是，一方面，由于芳纶中含有酰胺键和苯环等发色基团，容易吸收紫外线而引起分子键的断裂，使其力学性能下降，影响其使用性能;另一方面，芳纶纤维具有皮芯结构，表面光滑，呈化学惰性等特点，使其很难与树脂基体产生良好界面结合，导致其复合材料的力学性能不能得到充分的发挥。
　　为了提高芳纶纤维的性能特别是抗紫外线的性能和芳纶纤维增强复合材料的界面性能，论文结合芳纶纤维的特点，设计合成了适合芳纶纤维的杂化涂剂，并利用设计合成的涂剂对芳纶纤维表面进行改性，研究改性对芳纶纤维性能特别是抗紫外性能的影响。在此基础上，以表面改性后的芳纶为增强材料制备复合材料，研究杂化涂剂处理对芳纶纤维复合材料界面的改善作用。
　　首先，根据芳纶纤维的特点及对机理探究和配方优化，以固体酸催化剂替代常规的液体酸催化剂，以空气中的水分替代常规溶胶-凝胶体系中添加的水量，设计合成二氧化硅/形状记忆聚氨酯(SiO2/SMPU)杂化涂剂，并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等对其结构形态进行表征。研究结果表明:SiO2/SMPU杂化涂剂体系中粒子尺寸在11.9 nm到61.7 nm之间，分散均匀，无机粒子相与有机相之间显示出优异的界面结合性能，涂剂体系稳定，密封保存可达6个月以上，改变了目前溶胶-凝胶体系无法长期保存的现状，便于工业化的使用。
　　其次，采用磷酸对芳纶纤维表面进行常规预处理，再利用设计合成的杂化涂剂对预处理的芳纶纤维进行改性。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)等分析测试手段分析测试了经杂化涂剂处理后纤维的表面化学结构、物理形貌以及力学、热学和抗紫外老化性能。结果显示，经过杂化涂剂处理后，芳纶纤维的抗紫外线性能得到了明显的提高。
　　再次，利用杂化涂剂处理后的芳纶纤维为增强材料，采用单纤维复合材料断裂试验(SFFT)和显微观测方法对复合材料的界面粘结强度、破坏形态及断面形貌分析，结果表明，利用设计合成的涂剂改性芳纶后，在不损伤芳纶原有特性的基础上以其形成的“披萨”结构的膜粒层，明显地增加了芳纶纤维的表面极性基团、增大了表面粗糙度，有利于其与基体树脂的机械结合和润湿吸附。最终，芳纶纤维增强形状记忆聚氨酯树脂基复合材料的界面剪切强度(IFSS)提高70％左右，芳纶纤维与环氧树脂的界面剪切强度提高了50％左右。表明利用设计合成的杂化涂剂可以有效改善芳纶纤维增强复合材料的界面性能。

目录

声明

摘要

图表索引

第一章 绪论

1．1 芳纶纤维

1．1．1 芳纶纤维的结构、性能与应用

1．1．2 芳纶纤维表面改性

1．2 纤维表面涂层改性技术

1．2．1 表面涂层类型

1．2．2 涂层性能的影响因素

1．2．3 涂层技术前景发展

1．3 纤维复合材料界面

1．3．1 界面结合类型

1．3．2 界面性能评价方法

1．4 论文研究的目的及意义

1．5 论文的主要内容及创新点

1．5．1 论文的主要内容

1．5．2 论文的创新点

第二章 二氧化硅／形状记忆聚氨醇杂化涂剂的设计制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料及试剂

2．2．2 实验主要设备

2．2．3 杂化涂剂的设计及合成

2．2．4 杂化涂剂的结构和性能分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 杂化涂剂的形态形貌

2．3．2 杂化涂剂的稳定性

2．3．3 杂化涂剂的其他性能表征

2．4 本章小结

第三章 表面改性芳纶纤维的制备及其结构性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及试剂

3．2．2 实验主要设备

3．2．3 芳纶纤维的表面处理

3．2．4 表面改性芳纶纤维的分析测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 表面改性芳纶纤维的涂覆工艺

3．3．2 表面改性芳纶纤维的涂层含量

3．3．3 表面改性芳纶纤维的表面化学组成

3．3．4 表面改性芳纶纤维的结晶态结构

3．3．5 表面改性芳纶纤维的形貌结构

3．3．6 表面改性芳纶纤维的热震稳定性

3．3．7 表面改性芳纶纤维的润湿性

3．3．8 表面改性芳纶纤维的热学性能

3．3．9 表面改性芳纶纤维的力学性能

3．3．10 表面改性芳纶纤维的抗紫外老化性能

3．5 本章小结

第四章 表面改性芳纶纤维／树脂复合材料的界面性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及试剂

4．2．2 实验主要设备

4．2．3 芳纶单纤维／树脂复合材料试样的制备

4．2．4 单纤维复合材料界面剪切强度测试

4．2．5 单纤维复合材料界面形态形貌观察

4．3 结果与讨论

4．3．1 界面剪切强度

4．3．2 界面破坏形态形貌

4．3．3 不同种类树脂基体复合材料界面应用比较

4．4 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢