改性紡織結構芳綸纖維增強環氧復合材料的界面性能研究

計 翔

（上海質量監督站，上海 200120）

聚芳酰胺纖維統稱為芳綸纖維。芳綸纖維分子結構中的酰胺基團和苯環形成了共軛效應，分子結構中的內旋位能比較高，芳綸纖維的分子鏈呈現為平面的剛性伸直鏈，導致芳綸纖維的定向度和結晶度較高，因此，芳綸纖維有著極高的拉伸強度和拉伸模量，同時具備密度小的優點，吸能性和減震能力良好。有學者提出使用改性紡織結構提高芳綸纖維的力學性能，尤其是可以大幅度提升芳綸纖維的界面性能。

1 芳綸纖維的基本概念

芳綸纖維簡單來說是由芳香族基構成的一種聚酰胺纖維，該分子結構中的芳香族基都和酰胺基相連，這種分子結構使芳綸纖維具有密度小和伸縮模量高的性質。此外，芳綸纖維由于本身的化學性質不是很活潑，具有阻燃性強的特點，還具有耐高溫、抗腐蝕等性能。這些優勢使芳綸纖維在全球眾多行業領域中得到了廣泛的應用。起初，芳綸纖維作為環氧樹脂的增強材料，可制成強度比較高的復合材料應用于航空設備、軍事用品以及船舶中。

2 芳綸纖維紡織結構改性的研究現狀

芳綸纖維有很多優點，包括優異的力學性能以及化學性能。由于該類材料表面的分子鏈取向度特別高、有極高的結晶度，具有伸縮模量高、拉伸模量高以及密度小的優點，但其缺點也顯而易見。芳綸纖維分子結構中的苯環產生的大位阻作用使酰胺基團中的氫元素很難和其他原子反應，而且芳綸纖維的表面比較光滑，和基體沒有物理層面的嚙合點，導致芳綸纖維在液體中的浸潤性比較差，和其他基體形成復合材料時的界面黏合度也比較低，降低了芳綸材料構成的復合材料的性能。因此，對芳綸纖維的改性研究十分重要。當前，改性的方法主要有物理層面和化學層面兩大類，這些方法可以有效地降低芳綸纖維表面分子結構的取向度，增加表面的活性基團，進而提高芳綸纖維材料表面的粗糙度，增強芳綸纖維材料構成的復合材料的界面性能，達到提升復合材料整體性能的目的。物理方法包括對芳綸纖維材料的表面進行涂層、等離子改性、使用高能射線對芳綸纖維進行輻射、超聲浸漬等。

3 多巴胺改性方法的研究現狀

多巴胺可以通過反應讓基體在潮濕的環境下具有較強的黏附能力，并且在沉積的過程中有多種羥基和亞胺官能團，這些分子可以作為改性材料進一步功能化的渠道。目前，有很多科學家對多巴胺改性方法展開了研究。

有材料領域研究人員在化學改性方法中使用了多巴胺這種物質，分別在酸性、中性以及堿性溶液中，以硫酸銨作為氧化劑，促使多巴胺發生聚合反應，并且在反應的過程中嘗試對基底進行改性，比如玻璃、纖維素等無機物質。實驗結果證明，多巴胺可以在不同的物質上進行氧化自聚合，并且可以成功地形成多巴胺涂層，提高復合材料的黏附能力。他還通過X射線光電子能譜技術（XPS）、接觸角和原子力顯微鏡（AFM）的實驗證明，用多巴胺改性的基底物質的表面活性官能團數量明顯增多，親水能力也得到明顯改善，這些特性會使改性材料的表面變得更加粗糙[1]。

4 不同的改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

4.1 硅烷偶聯劑改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

使用硅烷偶聯劑對芳綸纖維的表面進行處理后，從掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的照片（圖1～2）中可以明顯地看到，芳綸纖維呈圓柱狀，雖然黏附能力的提升幅度不大，但是局部依然有少量膜狀物質。從這一層面看，硅烷偶聯劑確實可以改變芳綸纖維的界面性能，提高芳綸纖維的黏附能力。經過測試可知，使用硅烷偶聯劑改性的芳綸纖維的界面剪切強度（Interfacial Shear Strength，IFSS）由26.3 MPa轉變為27.5 MPa，由此可見，硅烷偶聯劑改性確實可以改變芳綸纖維的剪切強度[2-3]。

圖1 硅烷偶聯劑改性前

圖2 硅烷偶聯劑改性后

4.2 乙酸酐改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

使用乙酸酐改性方法對芳綸纖維的表面進行處理前，芳綸纖維表面呈光滑的圓柱狀，從SEM照片（圖3）中可以看到，使用乙酸酐改性方法處理后，芳綸纖維的表面已經被腐蝕得比較嚴重，大部分表層物質開始脫落，這種改性方法可以使芳綸纖維的表面積增大，出現物理層面的嚙合點，有利于芳綸纖維和其他基底材料結合。由此可以判斷，乙酸酐改性方法使芳綸纖維的表面產生了大幅度的形變，可以想象乙酸酐在芳綸纖維的表面發生了劇烈的化學反應，這種化學反應雖然對纖維的表面處理有顯著的效果，但是對芳綸纖維的本體造成了比較嚴重的破壞，所以乙酸酐改性方法肯定會在一定程度上降低芳綸纖維的強度。在復合材料中，相比于黏附能力，各個材料的纖維強度更為重要。經測試，使用乙酸酐改性的芳綸纖維材料的IFSS由之前的26.3 MPa轉變成40.1 MPa。從測試結果看，乙酸酐改性方法對芳綸纖維剪切強度的提升效果較好。但是，在測試過程中出現了多次芳綸纖維被拉斷的情況，證明乙酸酐改性方法會使芳綸纖維的強度變得更低，讓芳綸纖維變得很脆[4]。

圖3 乙酸酐改性后

4.3 多巴胺改性方法對芳綸纖維界面性能的影響

沒有經過改性處理的芳綸纖維表面比較光滑，基本上看不到凹凸不平的結構。使用多巴胺改性方法對芳綸纖維的表面進行處理后可以看出，芳綸纖維的表面出現了較大變化，變得凹凸不平，極大程度地增加了芳綸纖維的表面積，使芳綸纖維和其他基底材料進行復合時可以大幅度提高黏附效果。由此可見，多巴胺改性方法可以有效地提高芳綸纖維復合材料的界面性能，提升芳綸纖維和基底材料之間的結合強度。經測試，使用多巴胺改性的芳綸纖維復合材料的IFSS由最初的26.3 MPa變成了34.7 MPa，可見，多巴胺改性方法明顯提升了芳綸纖維的剪切性能，這和芳綸纖維環氧界面性能的強度提升有直接聯系。通過SEM照片（圖4）可以明顯地觀察到，改性后的芳綸纖維表面非常粗糙，和基底材料有更大的接觸面，這些都可以表現為剪切效果的大幅度提升。實際上，多巴胺是一種胺類高聚物，本身就可以作為固化劑使用，在復合材料中可以直接打開環氧結構和材料中的環氧分子形成化學鍵，這也是使用多巴胺改性方法對芳綸纖維進行改性后，芳綸纖維與環氧樹脂復合后的IFSS有較大提升的原因[5]。

圖4 多巴胺改性方法處理后

5 結語

本研究首先簡單介紹了芳綸纖維改性的研究現狀和芳綸纖維的基本概念，其次重點分析了多巴胺改性研究，最后分析了不同改性方法對芳綸纖維增強環氧復合材料界面性能的影響，測試發現，多巴胺改性方法可以大幅度提高芳綸纖維材料的界面性能。