成型过程中的芳纶Ⅲ纤维聚集态结构衍变

通过电子强伸仪、广角X射线衍射仪(WAXD)、声速取向仪及扫描电镜(SEM)等测试仪器,分析探讨了芳纶Ⅲ树脂、原丝、成品丝的力学性能与聚集态结构的差异,并与生产工艺相联系。讨论了芳纶Ⅲ纤维成型过程中聚集态结构衍变过程,探讨了芳纶Ⅲ具有优异力学性能的根本原因。通过X射线衍射分析,发现芳纶Ⅲ树脂本身是非晶态,在原丝纺制阶段结晶也进行得不完善且结晶度低,但经过热处理后成品丝具有较高的结晶度且晶粒变大,但晶面间距保持不变;取向度测试表明,芳纶Ⅲ纤维在原丝阶段就有较高的取向度,经热处理后取向度有所提高;SEM测试表明,芳纶Ⅲ成品丝比原丝的结构均一致密,从而反映了热处理工艺在芳纶Ⅲ纤维生产过程中的重要性。

新型国产芳纶Ⅲ纤维的性能实验研究

测试了7批次新型国产芳纶Ⅲ纤维的复丝拉伸性能，且采用第07批次的芳纶Ⅲ纤维进行缠绕制作了NOL环试样和Ф150mm试验容器。实验结果表明，第04批、06挑、07批芳纶Ⅲ纤维复丝强度平均值达到4535MPa以上，弹性模量大于139GPa，这些性能与Armos（2A）纤维相当，断裂延伸率较Armos（2A）纤维低，约为2．9％-3．3％。芳纶Ⅲ纤维单向复合材料的拉伸性能也与Armos（2A）纤维相当，但层间剪切强度较Armos（2A）纤维低很多，Ф150mm国产芳纶Ⅲ纤维试验容器性能有高有低，表明芳纶Ⅲ纤维的成型工艺性差，线密度太低且不均匀，另外与树脂浸润性差，层间剪切强度低，有待于进一步优化成型工艺参数。

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。

氨气等离子体改性处理芳纶Ⅲ表面的研究

以氨气为反应气体,对芳纶Ⅲ进行等离子体表面改性处理,研究了等离子体处理时间和处理功率对纤维表面性能的影响;采用X射线光电子能谱、场发射扫描电镜、接触角和微脱粘实验等测试方法对改性前后纤维表面元素组成、形貌、润湿能力以及界面粘结强度进行表征。结果表明:芳纶Ⅲ经过氨气等离子体改性后,表面含氮极性基团的含量增加,粗糙程度增大,润湿能力得到明显的改善;当氨气等离子体处理时间为15 min,功率为100 W时,芳纶Ⅲ与环氧树脂的界面粘结强度从处理前的12.9 MPa提高到18.2 MPa,与水的接触角由处理前的71.4°下降到46.8°。

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。

空气等离子体处理芳纶Ⅲ的性能研究

比较了国产芳纶Ⅲ与芳纶1414以及进口Twaron纤维的表面性能;采用空气等离子体处理技术对芳纶Ⅲ的表面进行改性,研究了空气等离子体处理工艺条件以及处理前后芳纶Ⅲ的结构与性能的变化。结果表明:国产芳纶Ⅲ的表面存在不均匀的浅沟槽,比芳纶1414和Twaron纤维表面粗糙,其表面浸润性较差,但却优于芳纶1414和Twaron纤维;空气等离子体处理芳纶Ⅲ的最佳条件为放电功率65 W,空气放电气压2 000 Pa,处理时间11 min,在此条件下处理的芳纶Ⅲ表面接触角由未处理时的55.8°降至41.5°,纤维的浸润性能得到改善,而其力学性能和大分子结构不受影响。

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%。

等离子体处理的时效性对芳Ⅲ/双马复合材料耐湿热性能的影响

目的考察等离子体处理前后及其时效性对芳Ⅲ/双马复合材料弯曲强度、界面性能及耐湿热性能的影响。方法用低温射频耦合等离子体处理芳纶纤维表面,分别将未处理的、等离子体刚处理过的和等离子体处理后在空气中放置三天后的纤维通过溶液预浸渍工艺制备芳Ⅲ/双马复合材料预浸料,再经过高温模压成形技术制备芳Ⅲ/双马复合材料单向板。采用万能材料试验机对水煮前后复合材料的弯曲强度和层间剪切强度进行测试,利用扫描电子显微镜对复合材料层间剪切破坏形貌进行观察。结果等离子体处理后,复合材料的吸水率由未处理时的0.51%下降到0.33%,复合材料层间剪切强度由49.4 MPa提高到62.9 MPa。等离子体处理时效后复合材料的吸水率增加到0.69%,复合材料的层间剪切强度下降到56.0 MPa。结论等离子体处理提高了复合材料界面性能,但等离子体处理的时效后,复合材料的界面性能及其耐湿热性能有所下降。等离子体处理及时效性对复合材料的弯曲强度和耐湿热性能变化不大。

国产芳纶Ⅲ缠绕环形压力容器研制

在复合材料环形容器纤维缠绕原理的基础上开展了环形容器内衬成型、国产芳纶Ⅲ预浸胶带缠绕与干纱缠绕再浸胶结构层成型技术研究,探索出纤维缠绕环形容器可行的成型工艺方法。研制结果表明,在砂芯模上粘贴丁腈橡胶生片,经高温硫化和表面打磨后能保证在缠绕过程中外型面良好;按预浸胶带缠绕工艺方法成型的芳纶Ⅲ环形压力容器爆破压强为31.7 MPa,特性系数达到20.44 km。

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。

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。

氨气等离子体接枝环氧涂层改性芳纶Ⅲ表面

采用氨气等离子体接枝环氧涂层工艺对芳纶Ⅲ进行表面改性,采用红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜等对改性前后纤维表面的化学组成、形貌、粗糙度、浸润性能进行了研究。结果表明:经氨气等离子体接枝环氧涂层处理后,环氧树脂涂层能够以化学键形式接枝到芳纶Ⅲ表面,同时纤维表面的粗糙度有了明显的增加,浸润性得到显著的改善。

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%。

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。

芳纶Ⅲ表面接枝改性的研究

为改进芳纶Ⅲ增强树脂复合材料的层间剪切性能,采用1,6-己二异氰酸酯(HDI)对芳纶Ⅲ进行表面接枝改性处理;通过正交实验方法讨论了不同处理条件对芳纶Ⅲ复合材料层间剪切强度的影响;并对改性前后纤维的表面结构形貌及浸润性能进行表征。结果表明:最佳的接枝改性条件为HDI与催化剂质量比100∶1,反应时间24 h,反应温度20℃;芳纶Ⅲ经表面接枝处理后,纤维表面出现凸棱与凹槽,且接枝了活泼的—NH2基团,纤维与环氧树脂的接触角由处理前的73.6°减小至45.2°,芳纶Ⅲ对树脂的浸润性提高,从而提高其复合材料的层间剪切强度。

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。

芳纶及其复合材料的制备技术及应用进展

介绍了对位芳香族聚酰胺纤维(简称对位芳纶)、间位芳香族聚酰胺纤维(简称间位芳纶)、带有杂环结构的三元共聚聚酰胺纤维(芳纶Ⅲ)的制备工艺及性能特点;概述了国内外芳纶的发展概况,我国对位芳纶、间位芳纶、芳纶Ⅲ及其复合材料的研究进展;阐述了芳纶在航空航天领域、军事和个体防护装备领域、建筑领域、电子电器材料领域、橡胶工业、环保领域的应用;指出今后我国对位芳纶的研究在其高聚物制备和纺丝技术上还需进一步提升;芳纶增强复合材料中,对于芳纶表面改性技术尚处于实验室阶段,实现大批量工业化生产,以及表面改性效果的持久性仍有待于进一步研究。

国产芳纶纤维复合材料用环氧树脂体系

研制了一种环氧/芳香胺体系,采用DSC、固化反应动力学分析等方法对树脂体系进行了表征,并对其浇注体、复合材料NOL环以及Φ150 mm压力容器性能进行了研究。结果表明,该树脂体系具有优良的浇注体力学及热性能,其拉伸强度为101 MPa,断裂伸长率达4.1%,弯曲强度为177 MPa,马丁耐热温度为142.2℃;与国产芳纶纤维的界面粘接性能良好,其NOL环层间剪切强度可以达到52.1 MPa,制备的复合材料Φ150 mm压力容器PV/W值可达38.44 km。

国产含杂环的芳香族聚酰胺纤维的热分解动力学

通过热重分析,考察并比较了国产含杂环的芳香族聚酰胺纤维F-12纤维和芳纶Ⅲ的热分解过程及动力学.在不同升温速率(5,10,15,20℃/min)下,获得热重和微分热重曲线,并采用Kissinger,Friedman,Flynn-Wall-Ozawa 3种热分析方法,对F-12纤维和芳纶Ⅲ的热分解动力学行为进行了对比研究,得到了两者的热分解反应动力学方程.研究结果表明,F-12纤维的热稳定性稍优于芳纶Ⅲ.