芳纶Ⅲ纤维及其复合材料制品研究进展

介绍了国产芳纶Ⅲ纤维的制作过程、力学性能和表面状态,复合材料性能采用NOL环、单向板及其复合材料容器进行试验。结果表明,芳纶Ⅲ纤维复合材料压力容器性能水平已达到国外同类纤维性能水平。芳纶Ⅲ纤维复合材料可以应用于高性能的航天产品,是我国目前可以开展工程应用的最高水平的国产纤维复合材料。

芳纶Ⅲ纤维拉伸性能的实验研究

测试了芳纶Ⅲ纤维的拉伸性能等，并与F-12和Kevlar-49纤维进行了对比。对由芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体复合成型的单向纤维增强环形试样，测试了其拉伸强度、弹性模量和层间剪切强度，结果表明：芳纶Ⅲ纤维单向纤维复合材料的拉伸强度和弹性模量与F-12纤维相当，分别比Keylar-49纤维要高出约25．7％和24．7％；但早期的芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体的界面结合性较差，层间剪切强度仅为32．0～35．2MPa。

国产芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切性能研究

通过不同官能团数的环氧树脂复配得到4种性能不同的树脂配方,制备了复合材料NOL环,探讨了基体性能、工艺参数对复合材料层间剪切性能的影响。结果表明:树脂体系的韧性对复合材料NOL环的层间剪切性能影响较大,其中韧性较好的R32体系的层间剪切强度达到49MPa,而韧性较差的R34体系只有37MPa;工艺参数对层间剪切强度影响也较明显,R3体系含胶量为32%,缠绕张力为20N时,其层间剪切强度可达到51.8MPa。

改进型芳纶Ⅲ纤维及其复合材料性能

以改进型芳纶Ⅲ纤维(F-3A)的研制及工程化应用为背景,开展了F-3A纤维及其复合材料性能研究,采用改进型环氧树脂体系与F-3A纤维复合进行了NOL环及其全尺寸复合材料缠绕构件试验考核。试验结果表明,F-3A纤维的力学性能优异,工艺性能稳定,能够满足复合材料结构工程应用要求。

芳纶Ⅲ纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究

对比研究了芳纶Ⅲ纤维复合材料、芳纶Ⅲ纤维/T800碳纤维混杂复合材料、T800碳纤维复合材料单向板压缩性能,以及三种状态下缠绕的150 mm容器轴压性能。结果表明:混杂复合材料压缩强度和模量随混杂比(VCF)的增大而增加,当VCF为28.5%时,混杂复合材料单向板压缩强度比芳纶Ⅲ纤维复合材料提高57%,压缩模量提高20.9%;混杂复合材料150mm容器(VCF=46%)轴压破坏载荷达到138.6 k N,比芳纶Ⅲ纤维复合材料150 mm容器的轴压破坏载荷提高18.5%,但仍为混杂负效应。

基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响

设计了三种环氧树脂基体,研究了基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响,对比分析了不同韧性的两种复合材料层间剪切破坏过程的声发射特性参数。结果表明:设计的R1、R2、R3三种树脂基体其韧性为R1>R2>R3;芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切强度分别为49 MPa、44.8 MPa、40.1 MPa,层间剪切性能随树脂基体韧性的增加而增大;声发射实验表明,基体韧性增加,复合材料急剧损伤得到延迟,声发射事件数明显减少。

芳纶Ⅲ纤维的原纤化研究

对芳Ⅲ纤维进行原纤化处理并对原纤化过程中纤维的形态结构变化进行了研究。SEM观察发现:芳Ⅲ纤维在原纤化过程中出现皮层剥落、结构疏松、轴向劈裂、进一步解离从而实现原纤化。对制备的芳Ⅲ原纤化浆粕进行表征,结果表明制得的浆粕打浆度达到60°SR,保水值为261%,比表面积9.42m2/g,结晶度42.49%。

国产高强高模芳纶Ⅲ纤维的拉伸性能测定

对11批次国产高强高模芳纶Ⅲ纤维进行了拉伸性能检测,结果表明：9批次的芳纶单束纱拉伸强度在4.78~5.32 GPa之间,拉伸弹性模量在123.71~129.26 GPa之间,断裂延伸率在3.87%~4.20%之间,离散系数均小于5%;2批次的合股束纱拉伸强度在4.96~5.02 GPa之间,拉伸弹性模量在106.7~107.7 GPa之间,断裂延伸率为4.60%,离散系数均小于5%,证明国产芳纶Ⅲ纤维已经具备了较好的力学性能。

芳纶Ⅲ纤维预浸胶带的质量稳定性

分析了芳纶Ⅲ纤维与F-12纤维的预浸胶成型工艺的差异和影响因素,根据芳纶Ⅲ纤维独特的表面性能及股纱特性,最终优选了芳纶Ⅲ纤维的股纱性能和预浸渍成型工艺参数。试验结果表明,该成型工艺能生产出质量稳定的胶带来满足缠绕工艺要求。

芳纶Ⅲ纤维湿法缠绕工艺研究

在综合考虑力学性能、耐热性能、浸润性能以及工艺性能的基础上,研制了一种适用于芳纶Ⅲ纤维湿法缠绕的基体配方。实验结果表明,该配方35℃下的初始黏度低(430mPa·s),适用期长(≥8h),完全满足湿法缠绕要求。配方浇铸体拉伸强度、延伸率和弯曲强度分别为88.8MPa、3.23%和142.8MPa,马丁耐热温度为155.1℃,玻璃化转变温度为171.5℃。用其制备的芳纶Ⅲ纤维复合材料NOL环层间剪切强度、拉伸强度和模量分别达51.3MPa、2102MPa和96.1GPa,Φ150mm容器的容器特性系数平均值和纤维强度转化率平均值分别为34.8km和68.9%,均可达到干法缠绕成型的芳纶Ⅲ/R04复合材料性能水平。

聚吡咯在芳纶Ⅲ纤维表面的原位合成及产物吸波性能研究

通过原位合成方法,在芳纶Ⅲ纤维(F3)表面分别负载了以磷酸(PHA)和草酸(OA)掺杂的聚吡咯(PPy)颗粒,从而得到了两类PPy/F3复合产物(PHA-PPy/F3和OA-PPy/F3)。SEM、FT-IR等综合表征结果表明,在PPy/F3复合产物中,PPy颗粒与F3纤维之间除了物理吸附作用以外,还存在较大密度的氢键结合。对F3纤维及两类PPy/F3复合产物的电磁学及吸波性能研究结果表明,相对于原料F3纤维,两类PPy/F3产物的电导率均提高了15个数量级,且介电损耗能力和阻抗匹配效果也得到了显著的提升;两类PPy/F3产物均表现出明显优于F3纤维的吸波性能;在两类PPy/F3产物中,OA-PPy/F3的吸波性能优于PHA-PPy/F3。

中温固化环氧树脂芳纶Ⅲ纤维复合材料性能研究

对芳纶Ⅲ纤维和及其织物(F-3S175)的性能进行测试,采用热熔法制备了3233中温固化环氧树脂F-3S175芳纶布预浸料,通过热压罐法成型复合材料层合板和蜂窝夹层板,进行性能测试,与Kevlar49纤维进行对比。结果表明,芳纶Ⅲ纤维、织物和其3233树脂复合材料性能高于Kevlar49芳纶纤维、织物及其复合材料性能。

芳纶Ⅲ纸基复合材料的制备与性能研究

以芳纶Ⅲ短切纤维与间位芳纶沉析纤维为原料,使用湿法成形技术,制备芳纶Ⅲ纸基复合材料,研究芳纶Ⅲ短切纤维长度和占比对芳纶Ⅲ纸基复合材料匀度、抗张强度、弹性模量、断裂伸长率、撕裂度的影响规律。结果表明,在芳纶Ⅲ短切纤维长度6 mm,占比50%时,芳纶Ⅲ纸基复合材料的综合力学性能较好,其中抗张强度为2.66 kN/m,弹性模量为3 136 MPa,断裂伸长率为1.78%,撕裂度为2 912 mN。纸基复合材料拉伸断裂面因芳纶Ⅲ短切纤维长度和占比的不同而呈现不同的形状。相比于间位芳纶纸,芳纶Ⅲ纸基复合材料具有更好的高温尺寸稳定性,有望在复合增强领域进一步提升芳纶的应用前景。

芳纶Ⅲ与Kevlar-49纤维组成、结构与力学性能的对比

通过红外光谱和元素分析对芳纶Ⅲ和Kevlar-49纤维的进行对比研究得出,芳纶Ⅲ纤维中存在含氮的芳杂环结构,并结合X射线衍射方法分析芳纶Ⅲ和Kevlar-49纤维的晶体结构,其中芳纶Ⅲ纤维的结晶度为30.44%,明显低于Kevlar-49。芳纶Ⅲ力学性能优于Kevlar-49,其拉伸强度、弹性模量和断裂延伸率分别为4250MPa、139MPa和3.2%。

芳纶Ⅲ纤维的傅-克反应表面改性研究

根据芳纶Ⅲ分子结构特点,利用傅-克烷基化反应在芳纶Ⅲ纤维表面苯环上接枝环氧氯丙烷及其副产物。分析对比了改性前后芳纶Ⅲ纤维表面基团和化学组成变化、单丝强度及其表面微观形貌变化、单丝拔出强度及其拔出界面变化、以及浸胶丝复丝强度及其拉伸断面变化。最终结果表明:处理前后的红外与XPS图谱显示环氧氯丙烷及其副产物成功接枝到纤维表面上,明显增大了芳纶Ⅲ纤维的表面活性;并且表面处理没有对纤维本体造成伤害;另外在40℃对芳纶Ⅲ丝束的最佳处理时间为1h,其单丝拔出强度提高了49.5%,复丝强度提高了约9.38%,有效改善了纤维与树脂基体的界面性能。

芳纶Ⅲ单向纤维增强复合材料测试方法研究

芳纶Ⅲ单向纤维增强复合材料由于其优良的力学性能,在航空航天、军事及个体防护装备等领域中应用广泛,因此采用合理的手段准确测试出芳纶Ⅲ单向纤维增强复合材料的力学性能变得十分重要。本文对芳纶Ⅲ单向纤维增强复合材料的拉伸性能、弯曲性能、压缩性能以及层间剪切性能进行测定,采用正交试验的方法,通过控制不同的测试条件(例如试验速度、试样尺寸、夹具尺寸等),分析不同测试条件对芳纶Ⅲ单向纤维复合材料测试结果的影响,以得到更为准确合理的力学性能试验方法。

酸碱处理条件下芳纶Ⅲ的强伸性能研究

探讨酸碱环境下国产芳纶Ⅲ纤维的强伸性能变化情况。测试分析了国产芳纶Ⅲ纤维原样及其在酸碱处理条件下的强伸性能,并与对位芳纶进行了对比。结果表明:芳纶Ⅲ纤维的断裂强度几乎是对位芳纶的1.5倍,模量也高于对位芳纶。在强酸溶液处理下,其大分子结构中的酰胺键会出现水解现象,但仍表现出较好的耐酸性;在碱溶液处理下,国产芳纶Ⅲ纤维表现出极佳的耐碱腐蚀性能。认为:芳纶Ⅲ纤维适用于高强高模、且有一定耐酸碱腐蚀性要求的场合,是一种较好的过滤材料。

芳纶Ⅲ增强浆料的制备及性能

使用水溶性环氧树脂(PAEK)和热塑性聚丙烯酰胺(APAM)的复配浆料对芳纶Ⅲ纤维进行改性处理,探讨了浆料的贮存稳定性、离心稳定性、表面张力、黏度和粒度,进而研究了浆料浓度对纤维强度的影响,并通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(ATR-FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)对上浆后纤维表面形貌和化学组成进行表征。结果表明,制备的浆料粒径小、分散均匀,具有良好的稳定性。SEM、XPS、ATR-FT-IR测试表明上浆后芳纶Ⅲ纤维表面变得粗糙,而且纤维表面极性官能团含量增加;与未经处理的芳纶Ⅲ相比,当上浆浓度为3%时,芳纶Ⅲ单丝拉伸强度提高了7.95%,束丝拉伸断裂强度提高了14.16%。

专利文摘

一种芳纶Ⅲ纤维增强自润滑衬垫复合材料及其制备方法。本发明公开了一种芳纶Ⅲ纤维增强自润滑衬垫复合材料的制备方法,是采用上浆后的芳纶Ⅲ纤维作为纬纱,芳纶Ⅲ纤维和PTFE纤维合捻纱作为经纱,在织机上进行织造;下机后的织物经退浆处理后先浸入单宁酸-氨丙基三乙氧基硅烷的水溶液活化,再浸入MgAl-LDH前驱体溶液中通过水热界面反应进行增强修饰,然后浸入多巴胺-聚乙烯亚胺的缓冲溶液增黏修饰,最后浸入aramid纳米纤维增韧修饰,得到强-韧一体化界面修饰的芳纶Ⅲ/PTFE织物坯布。本发明制备的芳纶Ⅲ纤维增强自润滑衬垫将具有优异的力学性能和摩擦磨损性能,使织物自润滑衬垫复合材料的得到大幅度提升,进而改善了织物型自润滑零部件的综合性能。