聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理装置及使用方法

摘要

本发明涉及一种聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理装置及使用方法，装置部分包括张力提供装置、导纱装置、表面改性处理槽、干燥装置以及收卷装置。通过本发明的装置对聚对苯撑苯并二恶唑纤维进行表面改性，能够连续地在线实时对聚对苯撑苯并二恶唑纤维进行表面处理，在提高表面性能的同时，不损伤PBO纤维原有的力学性能，且处理效果良好。本发明的装置结构简单，操作简便，能够实现连续、工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性，尤其是涉及一种连续性处 理聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理装置。

背景技术

复合材料由于其轻质高强的性能使其在航空、航天以及国防等高新技术领域 有着日渐增长的需求。复合材料是由基体材料和增强材料构成的多相体系。以聚 合物为基体的作结构件的复合材料，大多以纤维状材料特别是连续长纤维作为增 强材料。聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)纤维作为一种新型的增强材料，除了拥有 优异的力学性能，还具有良好的耐热性能以及较高的耐氧指数而备受关注，被誉 为“21世纪的超级纤维”。然而，虽然拥有众多优良的性能，PBO纤维也存在着 压缩性能差，耐光性不好，表面化学惰性大等缺点，其中因刚性分子链结构以及 液晶纺丝过程中形成的高度取向的有序结构而导致的表面极大的化学惰性使得 PBO纤维几乎与所有树脂基体都不能很好的浸润，这极大地限制了PBO纤维性能 的发挥，制约了PBO纤维在高性能复合材料中的应用，因此如何改善PBO纤维与 树脂基体间的界面性能已然成为PBO纤维复合材料的重点研究方向。

目前，用于PBO纤维表面改性的方法主要有化学氧化法、等离子体处理方 法、辐射处理方法以及生物处理方法等。这些方法有的在提高PBO纤维表面性能 的同时过分损失了纤维本身的力学性能(化学氧化法)，有的存在着严重的退化 效应，即改性效果随着时间的增加而下降(等离子处理方法、辐射处理方法)， 有的处理效果并不明显且处理速度慢、效率低(生物处理方法)，同时目前这些 方法多数在试验阶段，并不能连续处理PBO纤维长丝，这就降低了生产效率，不 能达到工业化生产的目的。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表 面改性处理装置及使用方法，具有结构简单、又能方便地连续性处理的特点。

为实现本发明目的，本发明包括聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理装 置，包括：张力提供装置、导纱装置、表面改性处理槽、干燥装置以及收卷装置， 张力提供装置、导纱装置、干燥装置以及收卷装置依次相连，表面改性处理槽位 于导纱装置的下方并配有升降装置，聚对苯撑苯并二恶唑纤维经张力提供装置进 行张紧处理，然后进入导纱装置，再进入表面改性处理槽进行表面改性处理，再 经由干燥装置进行干燥处理，最后经收卷装置将处理后的聚对苯撑苯并二恶唑纤 维收成卷。

优选的，所述张力提供装置，为橡胶皮圈张力提供装置，包括：两个纱辊、 橡胶皮圈，橡胶皮圈置于两纱辊上，通过橡胶皮圈对纱辊的摩擦力实现张紧。

优选的，所述张力提供装置，为重物张力提供装置，包括：纱辊、重物、固 定杆、橡胶皮带，重物通过橡胶皮带经过纱辊与固定杆相连，实现张紧处理。

优选的，所述导纱装置，包括辊轮、定位孔。

优选的，所述表面改性处理槽，包括超声振荡槽或普通浸胶槽。

优选的，所述表面改性处理槽，配有升降装置，包括气动方式或液压方式。

优选的，所述干燥装置，采用可控温的电阻加热箱。

优选的，所述电阻加热箱，其控温范围为室温～300℃。

优选的，所述表面改性槽，其中装有改性液，包括偶联剂和/或纳米粒子溶 胶。

为实现本发明目的，本发明还包括聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理 装置的使用方法，包括如下步骤，

首先，将聚对苯撑苯并二恶唑纤维原始纤维置于张力提供装置的纱辊上，由 橡胶皮圈和/或重物提供所需张力；

其次，经过导纱装置到达表面改性处理槽，其中所述的导纱装置包含可拆卸 的辊轮及定位孔，用以自由组合进入表面改性处理槽的纤维数量与次数，表面改 性处理槽通常包括超声振荡槽或普通处理槽，利用升降装置可确定表面改性处理 槽合理位置，之后进入干燥装置，所述的干燥装置为电阻加热箱；

最后，由收卷装置将PBO纤维收成卷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够连续地在线实时对PBO纤维进行表面处理，在提高纤维表面 性能的同时，不损伤PBO纤维原有的力学性能，且处理效果良好。原始纤维复丝 的拉伸强度为5.51GPa,拉伸模量为220.2GPa，经改性后纤维拉伸强度为5.47 GPa，拉伸模量为221.7GPa，机械性能无明显变化；同时纤维表面涂覆情况均 匀。

2、本发明对PBO纤维处理后，对环氧树脂的接触角由38.88°降到30.94°， 对环氧树脂的界面剪切强度由7.9MPa增加到12.3MPa,提高了55.6％，纤维 对树脂的浸润性得到提高，具有明显的改性效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：张力提供装置1、导纱装置2、表面改性处理槽3、干燥装置4、收卷 装置5、纱辊10、橡胶皮圈11、重物12、定位孔20、升降装置30、收卷辊50、 装置控制面板51。

图2为本发明张力提供装置为橡胶皮圈张力提供装置的结构示意图。

其中：纱辊10、橡胶皮圈11。

图3为本发明张力提供装置为重物张力提供装置的结构示意图。

其中：纱辊10、重物12、固定杆13、橡胶皮带14。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为一种用于聚对苯撑苯并二恶唑纤维的表面改性处理装置，包括张力提 供装置1、导纱装置2、表面改性处理槽3、干燥装置4以及收卷装置5。张力提 供装置1、导纱装置2、干燥装置4以及收卷装置5依次相连，表面改性处理槽 3位于导纱装置2的下方。所述的张力提供装置包括两纱辊10之间的橡胶皮圈 11及悬挂重物12，所述导纱装置包括可拆卸的辊轮及定位孔20，所述的表面改 性处理槽3包括超声振荡槽或普通处理槽，其下方装有升降装置30，所述升降 装置，包括气动方式或液压方式，所述的干燥装置4是可控温的电阻加热箱，其 中表面改性槽中的改性液包括偶联剂和/或纳米粒子溶胶，所述收卷装置5包括 收卷辊50以及装置控制面板51。

如图2所示，所述张力提供装置，为橡胶皮圈张力提供装置，包括：两个纱 辊10、橡胶皮圈11，橡胶皮圈11置于两纱辊10上，通过橡胶皮圈11对纱辊 10的摩擦力实现张紧。

如图3所示，所述张力提供装置，为重物张力提供装置，包括纱辊10、悬 挂重物12、固定杆13以及橡胶带14，重物12通过橡胶皮带14经过纱辊10与 固定杆13相连，实现张紧处理。

所述的电阻加热箱是可控温的，其控温范围为室温～300℃。

下面对本发明的使用过程进行描述：

聚对苯撑苯并二恶唑纤维原始纤维置于装置1内，由橡胶皮圈11和/或重物 12提供所需张力，经过导纱装置2，到达表面改性处理槽3，其中导纱装置2包 含可拆卸的辊轮及定位孔20，用以自由组合进入表面改性处理槽的纤维数量与 次数，表面改性处理槽3通常包括超声振荡槽或普通处理槽，利用升降装置30 可以自由升降表面改性处理槽。之后进入干燥装置4，干燥装置为电阻加热箱， 最后由收卷装置5中收卷辊50将PBO纤维收成卷。图示中51为装置控制面板， 包括各项开关、干燥装置温度设定和收卷装置速度设定。

实施例1

将PBO纤维束置于装置1上的纱辊10上，将配好的偶联剂改性液(1～9％ KH560水溶液)置于表面改性处理槽3，手工牵引纤维丝束经导纱装置2、表面 改性处理槽3、干燥装置4放置于收卷装置5并固定。之后开启干燥装置4，设 定温度100～110℃，待温度达到后，开启收卷装置5，设定辊轮速率为1～5 r/min，进行改性后PBO纤维收卷。经本装置改性后的PBO纤维经扫描电子显微 镜观察表面明显覆盖一层均匀涂覆物，表面粗糙度增加，单根纤维对环氧树脂的 接触角由38.88°最低降到30.94°，对环氧树脂的界面剪切强度由7.9MPa增 加到12.3MPa，提高了55.6％，纤维对树脂的浸润性得到提高，具有明显的改 性效果。原始纤维复丝的拉伸强度为5.51GPa,拉伸模量为220.2GPa，经改性 后纤维拉伸强度为5.47GPa，拉伸模量为221.7GPa，机械性能无明显变化。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目 的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。