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惰性、表面自由能低，在與樹脂復合時，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，最終導致復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，并比較分析結果；運用拉曼光譜技術探討了PPTA纖維/環(huán)氧樹脂界面應力傳遞行為。
　　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性能、結晶性能及熱性能進行了分析。結果表明：處理后，纖維表面出現了環(huán)氧官能團，O/C比顯著增加，粗糙度提升，最佳反應條件（反應溫度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%，力學性能、結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)氧樹脂基復合材料界面粘結性能的影響，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、結晶性能、熱性能、力學性

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。結果發(fā)現：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性能，但對纖維的結晶度、熱性能及力學性能的損傷更大

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合的方法研究了復合材料界面微觀力學行為。先對纖維施加大小不等的應力，計算出頻移與應力之間的關系，再對纖維施加一定大小的應力，研究改性前后微滴內部纖維軸向不同位置處應力值及應力傳遞行為，最后對處理前后纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料界面性能進行研究。結果表明：PPTA纖維G’峰的拉曼頻移與應力成直線關系，頻移敏感系數為3.59cm-1/Gpa；對環(huán)氧樹脂微滴

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