一种对位芳纶短切纤维的改性方法与流程

本发明属于造纸工业技术领域，具体涉及一种对位芳纶短切纤维的改性方法。

背景技术：

芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维的通称，它是二十世纪六七十年代由美国杜邦公司率先研制开发的一种合成纤维，根据化学结构的不同，芳纶纤维可分为间位芳纶纤维和对位芳纶纤维。间位芳纶由美国杜邦公司研究并实现工业化生产后，产品注册为我国称为芳纶1313；对位芳纶(简称PPTA)投入生产后正式命名为我国称为芳纶1414。

对位芳纶纤维(PPTA)是由对苯二胺和对苯二甲酰氯缩聚得到的聚合物溶解于浓硫酸或氢氟酸或氯磺酸中制成具有液晶性能的溶液，再经干-湿法纺丝制而成。对位芳纶纤维分子结构上的酰胺基与苯环形成π共轭效应，具有很高的内旋位能，分子链呈刚性伸直状，且存在很强的分子间氢键，这些结构特性赋予了对位芳纶纤维超高强度和高模量、优异的耐高温性和韧性，同时还有良好耐化学品腐蚀性，具有“合成钢丝”的美誉，是防护和增强型材料的理想原料。目前其产品主要有短切、浆粕以及沉析三种形态，多用作高档轮胎帘子线、复合增强材料、刹车片、航天航空等结构材料。其优良的耐热性能和介电性能，可作为绝缘材料、结构材料、电子材料而广泛应用于电力、交通、电子等重要高科技行业，是全球发展最快、产量最高和用途最广的高性能纤维。

虽然有很多优异的力学和化学等性能，但是作为许多复合材料增强体的对位芳纶短切纤维，表面分子链排列取向度高，结晶度高，苯环的大位阻作用使得酰胺基团上的氢很难与其他原子反应；但是，纤维表面光滑，比表面积小，缺少化学活性基团，与基体无物理啮合点等，都导致了芳纶纤维浸润性差，与其他基体制造的复合材料的界面粘结性差，严重降低了芳纶复合材料的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对位芳纶短切纤维的改性方法，解决了对位芳纶短切纤维浸润性差和与基体材料的界面粘结性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种对位芳纶短切纤维的改性方法，具体步骤包括：

步骤1，采用混酸溶液对清洗后的对位芳纶短切纤维进行粗化预处理；

步骤2，采用溶胶-凝胶法对预处理后的对位芳纶短切纤维表面进行纳米SiO₂改性，得到改性后的对位芳纶短切纤维。

本发明的特点还在于，

对位芳纶短切纤维的清洗是将对位芳纶短切纤维加入水中，用十二烷基苯磺酸钠在50-70℃的水浴锅中进行清洗20-40min，然后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用。

步骤1中混酸溶液为浓硝酸和浓硫酸按体积比为3：1组成的混合溶液。

步骤2溶胶-凝胶法具体为：将预处理后的对位芳纶短切纤维在混合液中超声分散10min后加入正硅酸乙酯，搅拌12-15h，然后经尼龙膜过滤；最后，重复上述步骤至少4次，生成的产物在空气中干燥后真空干燥，得到改性后的对位芳纶短切纤维。

混合液为无水乙醇、去离子水和氨水以体积比为10：3：1组成的混合物。

真空干燥的温度为50-70℃，时间为12-24h。

本发明的有益效果是，本发明对位芳纶短切纤维的改性方法，采用溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为前驱体，在乙醇介质中用氨水水解正硅酸乙酯(TEOS)，在纤维表面原位合成纳米SiO₂粒子，来改善纤维光滑且无活性基团的惰性表面。纤维表面合成的纳米SiO₂有较好的耐热耐磨性，可以作为一种复合材料的增强体，来提高材料的耐高温耐摩擦磨损性能。

本发明改性方法不仅改善了对位芳纶短切纤维表面惰性的问题，而且提高了纤维/树脂基复合材料的界面结合性能，拓宽了芳纶纤维在复合材料领域的应用。

附图说明

图1为未处理的芳纶短切纤维的扫描电镜图；

图2为混酸预处理的芳纶短切纤维的扫描电镜图；

图3为本发明纳米粒子改性处理的芳纶短切纤维的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明对位芳纶短切纤维的改性方法，具体步骤包括：

步骤1，将对位芳纶短切纤维加入水中，用十二烷基苯磺酸钠在50-70℃的水浴锅中进行清洗20-40min，然后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用；

步骤2，采用混酸溶液(混酸溶液为浓硝酸和浓硫酸按体积比为3：1组成的混合溶液)对步骤1清洗后的对位芳纶短切纤维进行粗化预处理；

步骤3，将预处理后的对位芳纶短切纤维在混合液(将氧化的对位芳纶短切纤维在混合液(混合液为无水乙醇、去离子水和氨水以体积比为10：3：1组成的混合物)中超声分散后加入正硅酸乙酯，搅拌12-15h，然后经尼龙膜真空过滤后真空干燥，最后，重复上述步骤至少4次，生成的产物在空气中干燥后在50-70℃下真空干燥12-24h，得到改性后的对位芳纶短切纤维。

本发明对位芳纶短切纤维的改性方法，采用溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为前驱体，在乙醇介质中用氨水水解正硅酸乙酯(TEOS)，在纤维表面原位合成纳米SiO₂粒子，来改善纤维光滑且无活性基团的惰性表面。纤维表面合成的纳米SiO₂有较好的耐热耐磨性，可以作为一种复合材料的增强体，来提高材料的耐高温耐摩擦磨损性能。

本发明改性方法不仅改善了对位芳纶短切纤维表面惰性的问题，而且提高了纤维/树脂基复合材料的界面结合性能，拓宽了芳纶纤维在复合材料领域的应用。

由图1可知，未处理的短切纤维整体呈棒状，纤维表面光洁圆滑不利于纳米粒子的附着；由图2可知，混酸预处理过的纤维表面分丝起毛，且出现很多凹凸不平的刻蚀和斑痕，为纳米粒子的附着提供了极多的着位点；由图3可知，SiO₂纳米粒子能够和纤维表面较好的结合在一起，进一步证明预处理的必要性。

实施例1

(1)纤维预处理：将对位芳纶短切纤维加入水中，用十二烷基苯磺酸钠在50℃的水浴锅中进行清洗20min，然后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用。配置混酸溶液，为浓硝酸和浓硫酸按体积比为3：1组成的混合溶液，将清洗过的短切纤维放入混酸溶液中，对其进行氧化处理，然后用水清洗后干燥备用。

(2)纤维改性过程：将氧化的短切纤维在稳定而均匀的混合液中超声分散(混合液为无水乙醇、去离子水和氨水以体积比为10：3：1组成的混合物)。然后，快速加入TEOS(正硅酸乙酯)，形成的混合物在室温下搅拌12h，使其反应。

(3)纤维后处理：反应完成后，纤维混合液经尼龙膜真空过滤，再进行真空干燥。最后，重复上述实验步骤至少四遍，生成的产物在空气中干燥，最后放在50℃真空干燥箱中干燥12h，所得产物为改性后的增强纤维。

实施例2

(1)纤维预处理：对位芳纶短切纤维预处理：将对位芳纶短切纤维加入水中，用十二烷基苯磺酸钠在60℃的水浴锅中进行清洗30min，然后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用。配置混酸溶液，为浓硝酸和浓硫酸按体积比为3：1组成的混合溶液，将清洗过的短切纤维放入混酸溶液中，对其进行氧化处理，然后用水清洗后干燥备用。

(2)纤维改性过程：将氧化的短切纤维在稳定而均匀的混合液中超声分散(混合液为无水乙醇、去离子水和氨水以体积比为10：3：1组成的混合物)。然后，快速加入TEOS(正硅酸乙酯)，形成的混合物在室温下搅拌13h，使其反应。

(3)纤维后处理：反应完成后，纤维混合液经尼龙膜真空过滤，再进行真空干燥。最后，重复上述实验步骤5次，生成的产物在空气中干燥，最后放在60℃真空干燥箱中干燥18h，所得产物为改性后的增强纤维。

实施例3

(1)纤维预处理：对位芳纶短切纤维预处理：将对位芳纶短切纤维加入水中，用十二烷基苯磺酸钠在70℃的水浴锅中进行清洗40min，然后用蒸馏水冲洗干净，烘干备用。配置混酸溶液，为浓硝酸和浓硫酸按体积比为3：1组成的混合溶液，将清洗过的短切纤维放入混酸溶液中，对其进行氧化处理，然后用水清洗后干燥备用。

(2)纤维改性过程：将氧化的短切纤维在稳定而均匀的混合液中超声分散(混合液为无水乙醇、去离子水和氨水以体积比为10：3：1组成的混合物)。然后，快速加入TEOS(正硅酸乙酯)，形成的混合物在室温下搅拌15h，使其反应。

(3)纤维后处理：反应完成后，纤维混合液经尼龙膜真空过滤，再进行真空干燥。最后，重复上述实验步骤至少四遍，生成的产物在空气中干燥，最后放在70℃真空干燥箱中干燥24h，所得产物为改性后的增强纤维。