高性能纖維的表面修飾新方法及其橡膠復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)與粘合性能研究.pdf

1、高性能纖維憑借其優(yōu)異的力學(xué)特性，化學(xué)穩(wěn)定性及其特種功能性，成為高性能復(fù)合材料的理想骨架材料，以及航空航天、軍工國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的新寵兒。超高分子量聚乙烯和芳綸纖維為有機(jī)高性能纖維中的典型代表，具有優(yōu)異的特性及加工性能，工業(yè)化程度也最為成熟，但這兩種纖維與生俱來(lái)的表面惰性及高結(jié)晶度，限制了它們?cè)趶?fù)合材料中的廣泛應(yīng)用。我國(guó)是橡膠工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，輪胎、輸送帶、膠管等纖維/橡膠復(fù)合材料是重要的軍民兩用產(chǎn)品，而高性能纖維是橡膠制品的理想骨

2、架材料，但目前高性能纖維在橡膠制品中的應(yīng)用仍未普及。多巴胺仿生修飾是一種新型的表面改性方法，具有簡(jiǎn)便易行、環(huán)保無(wú)毒的特點(diǎn)，適用于有機(jī)、無(wú)機(jī)，甚至超疏水、低表面能基體材料的表面改性;而紫外光引發(fā)接枝聚合具有高效快速，成本低廉，設(shè)備便捷，易于工業(yè)化等特點(diǎn)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪捎枚喟桶贩律揎椩诔叻肿恿烤垡蚁?UHMWPE)纖維表面進(jìn)行聚多巴胺(PDA)沉積。以γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、雙-（γ-三乙氧

3、基硅基丙基）四硫化物(Si69)、乙二醇二縮水甘油醚(EGDE)等三種不同的單體進(jìn)行二次功能化，成功在UHMWPE纖維表面引入了環(huán)氧、多硫等活性官能團(tuán)。在二次功能化過(guò)程中，探討了反應(yīng)步驟、反應(yīng)溫度和單體濃度對(duì)接枝效率的影響。隨著反應(yīng)溫度和單體濃度的提高，環(huán)氧基團(tuán)的接枝效率隨之升高。對(duì)比“兩步法”及“一步法”兩種不同的二次功能化步驟發(fā)現(xiàn)，“一步法”改性的接枝率明顯高于“兩步法”，并從機(jī)理上對(duì)此現(xiàn)象作出了解釋。從單根抽出和剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，多

4、巴胺仿生修飾和二次功能化方法有效提高了UHMWPE與橡膠的粘合性能。這種方法，結(jié)合傳統(tǒng)的間苯二酚-甲醛-丁吡膠乳(RFL)浸膠處理后，可進(jìn)一步改善粘合效果，達(dá)到橡膠復(fù)合材料的性能指標(biāo)要求。相比傳統(tǒng)的RFL浸膠改性方法，多巴胺仿生修飾和二次功能化在纖維與橡膠的界面形成了有效的化學(xué)鍵結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫老化和抗疲勞性能。
　?、茖?duì)間位芳綸(MPIA)和對(duì)位芳綸(PPTA)纖維進(jìn)行了多巴胺仿生修飾及二次功能化表面改性。利用KH560

5、和EGDE兩種單體，成功在MPIA纖維表面引入環(huán)氧官能團(tuán)，分別提高M(jìn)PIA纖維與橡膠的抽出力62.5％和53.8％。多巴胺仿生修飾、EGDE二次功能化的MPIA纖維，經(jīng)RFL浸膠處理后抽出力比原始的MPIA纖維提高了132.2％。在對(duì)位芳綸(PPTA)纖維的表面改性中，嘗試了含有雙鍵的γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷(KH570)和丁吡膠乳(VP)，在PPTA纖維表面成功引入了碳碳雙鍵，分別提高PPTA纖維與橡膠的抽出力44.2％和

6、198.6％。多巴胺仿生修飾和二次功能化的改性方法可提高PPTA纖維在老化和高溫條件下的粘合性能，可滿(mǎn)足PPTA纖維/橡膠復(fù)合材料在高溫及長(zhǎng)時(shí)間老化條件下的應(yīng)用需求。丁吡膠乳二次功能化的改性效果達(dá)到工業(yè)上二浴浸膠處理的水平，不僅簡(jiǎn)化改性步驟，還可替代異氰酸酯、間苯二酚、甲醛等原材料，可制備環(huán)保仿生浸膠體系。
　　⑶利用紫外光引發(fā)接枝聚合的方法在芳綸纖維表面接枝了γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷(KH570)和甲基丙烯酸縮水甘油

7、酯(GMA)。改性后的芳綸纖維與橡膠的界面粘合性能優(yōu)異，且具有一定的耐老化性能，優(yōu)于工業(yè)二浴浸膠法改性的效果。但由于芳綸纖維自身不耐紫外光照射的特性，紫外光照接枝的過(guò)程中，會(huì)造成芳綸纖維強(qiáng)度的損失。
　?、冗M(jìn)行了高性能纖維在橡膠輸送帶中應(yīng)用的初步探索。以降低壓陷滾動(dòng)阻力和減輕輸送帶自重兩方面為切入點(diǎn)，采用高性能纖維的短纖維及帆布骨架材料制備節(jié)能型橡膠輸送帶。采用芳綸漿粕Sulfron(@)制備出低壓陷滾動(dòng)阻力(LRR)底膠配方，從

8、微觀(guān)上降低了硫化膠的損耗因子，從宏觀(guān)上降低了壓縮屈撓實(shí)驗(yàn)中的溫升和壓縮永久變形量。用該底膠配方制備的輸送帶經(jīng)過(guò)德國(guó)漢諾威大學(xué)檢測(cè)，表現(xiàn)出10％-15％的節(jié)能效果，且壓陷滾動(dòng)阻力隨著溫度的升高而降低，隨著載荷增加而增大。利用芳綸帆布替代傳統(tǒng)的聚酯和鋼絲繩骨架材料制備出了高強(qiáng)力、耐高溫和阻燃等三種橡膠輸送帶，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、高性能化的目標(biāo)。國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口芳綸纖維的性能接近，但需要進(jìn)一步改善表面活性及改進(jìn)浸膠配方，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)芳綸纖維在工業(yè)上的應(yīng)