一種基于同質(zhì)層聚酯纖維改性方法及其復(fù)合材料制品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種同質(zhì)涂層改性聚酯纖維的制備方法及其復(fù)合材料制品，具體為基 于溶液相轉(zhuǎn)化的同質(zhì)層改性技術(shù)及由該方法制得的同質(zhì)涂層纖維及復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚酯（PET)纖維在1941年問(wèn)世后發(fā)展迅速，我國(guó)已成為全球聚酯纖維生產(chǎn)大國(guó)。 2013年6月我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)量1571. 46萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)6. 3%，占合成纖維總量的約87%， 占化學(xué)纖維總產(chǎn)量的約78%。然而，近年來(lái)聚酯纖維的產(chǎn)能過(guò)剩的壓力日益突出，國(guó)家《化 纖"十二五"發(fā)展規(guī)劃》提出，如何進(jìn)一步提高聚酯纖維差別化率及聚酯纖維產(chǎn)業(yè)化對(duì)加快 我國(guó)紡織行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)具有重要意義。
[0003] 聚酯由于其高度對(duì)稱的化學(xué)結(jié)構(gòu)和易于結(jié)晶的柔性連段，被認(rèn)為是一種綜合性能 優(yōu)異的纖維原料，具有出眾的耐化學(xué)藥品性、耐磨性和抗褶皺性等性能。目前，聚酯纖維、織 物增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)、建筑、交通、醫(yī)療、航空、航天等眾多工業(yè)部門(mén)得以應(yīng)用。基體、 增強(qiáng)體和界面是復(fù)合材料的三要素。在給定基體和增強(qiáng)體的情況下，復(fù)合材料的力學(xué)性能 在很大程度上取決于界面的性能。良好的界面能夠快速的傳遞、分散和緩沖外界應(yīng)力，從而 保護(hù)復(fù)合材料；不良的界面不能夠及時(shí)快速的將外界應(yīng)力傳遞到增強(qiáng)體，從而導(dǎo)致基體與 增強(qiáng)體之間開(kāi)裂，使復(fù)合材料失去使用價(jià)值，甚至可能引發(fā)災(zāi)難性的后果。大部分纖維與基 體的界面粘結(jié)性能不夠理想，所以大大限制了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展。因此提高復(fù)合材 料界面粘結(jié)性能的技術(shù)具有非常重要的意義。欲得到一個(gè)良好的界面，必須對(duì)增強(qiáng)體或基 體進(jìn)行改性。其中對(duì)增強(qiáng)體纖維表面改性是改善復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的主要研宄方向。
[0004] 以PET纖維為例，目前改性的方法主要包括：
[0005] 1、低溫等離子體改性。它包括：①將待處理纖維置于等離子體處理腔體中；②將 處理腔體降到一定真空度，通入氮?dú)?、氧氣或氬氣等氣體，調(diào)節(jié)氣流量；③在一定功率下處 理一定時(shí)間得到表面活化的纖維（參見(jiàn)Cioffi M O H，Voorwald H J C，Mota R P. Surface energy increase ofoxygen-plasma-treated PET[J]. Materials characterization， 2003,50(2) :209-215.;秦偉，張志謙，黃玉東，等.冷等離子體處理對(duì)PET纖維/環(huán)氧復(fù)合 材料界面改性的研宄[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2002,19 (4) :25-28.)。利用低溫等離子體改性纖 維是研宄的比較多的一種傳統(tǒng)方法。該方法改性纖維的缺點(diǎn)是不能連續(xù)處理纖維、處理后 活化效果有很強(qiáng)的時(shí)效性，必須現(xiàn)用現(xiàn)做；處理后的纖維復(fù)合材料力學(xué)性能提升不明顯。
[0006] 2、化學(xué)試劑處理改性。它包括：①將纖維清洗干凈，用強(qiáng)堿溶液或異腈酸酯的甲 苯溶液處理PET纖維一定時(shí)間；②洗滌纖維以除去表面殘留溶液，烘干備用（參見(jiàn)Liu X D，Sheng D K，Gao X M，et al. UV-assisted surface modification of PET fiber for adhesion improvement [J]. Applied Surface Science，2013, 264 :61-69.) 〇 該方法的缺點(diǎn) 是強(qiáng)堿溶液對(duì)纖維的力學(xué)性能損傷較大，且復(fù)合材料力學(xué)性能提升不明顯；用異腈酸酯的 甲苯溶液處理纖維，雖然復(fù)合材料力學(xué)性能提升明顯，但是所用溶質(zhì)價(jià)格高、有劇毒，操作 稍微不當(dāng)就有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，不利于工業(yè)化應(yīng)用。
[0007] 3、紫外輻照接枝改性。它包括：①將纖維用有機(jī)溶劑清洗以除去表面雜質(zhì)；②將 纖維在含有光引發(fā)劑和接枝單體溶液中浸泡一定時(shí)間取出；③將纖維通過(guò)一定輻照濃度的 紫外線輻照一定時(shí)間；④將纖維取出清洗烘干備用（參見(jiàn)朱偉敏，劉金慧，姚雄健.聚酯纖 維非織造布紫外光表面接枝改性研宄[J].化學(xué)與粘合，2003(3) :113-115.)。該方法的缺 點(diǎn)是接枝率低，且不能連續(xù)處理，難以工業(yè)化應(yīng)用。
[0008] 4、表面涂層改性。它包括：①將聚酯纖維或織物用有機(jī)溶劑或酸清洗以除去表 面雜質(zhì)；②配制非同質(zhì)涂層溶液，將纖維或織物浸入到沸騰的涂覆液中一定時(shí)間后取出， 然后再置于沸水中一定時(shí)間以除去表面附著性不強(qiáng)的部分，烘干備用（參見(jiàn)Natarajan S，Jeyakodi Moses J. Surface modification of polyester fabric using polyvinyl alcohol in alkaline medium[J]. Indian Journal ofFibre and Textile Research，2012， 37(3) :287.)。該方法的缺點(diǎn)是涂層與基體纖維的相容性差，界面粘結(jié)性能差，其復(fù)合材料 受外力時(shí)容易產(chǎn)生涂層與基體纖維之間的滑移導(dǎo)致材料失效，且不能連續(xù)處理，難以工業(yè) 化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明利用相同物質(zhì)間具有良好的熱力學(xué)相容性的基 礎(chǔ)上，提供一種基于溶液相轉(zhuǎn)化的同質(zhì)層改性纖維的方法。在本發(fā)明中，首先配制基體纖維 的同質(zhì)涂覆溶液，然后將基體纖維與涂覆液共同擠出，進(jìn)入凝固浴中進(jìn)行溶液相轉(zhuǎn)化后固 化成形，得到同質(zhì)層改性后的纖維（具體工藝流程見(jiàn)圖1)。當(dāng)基體纖維與涂覆液共擠出后， 與凝固浴接觸時(shí)，紡絲液中的溶劑向凝固浴擴(kuò)散，凝固劑向共擠出同質(zhì)紡絲液滲透，從而使 得基體纖維表面的涂覆液達(dá)到臨界濃度，基體纖維表面的涂覆液發(fā)生溶液相轉(zhuǎn)變成為具有 同質(zhì)涂層的改性纖維。由于涂覆液中的溶劑會(huì)對(duì)基體纖維中高聚物大分子進(jìn)行溶脹和溶解 作用，在擴(kuò)散過(guò)程中涂覆液中的高聚物大分子與基體纖維中高聚物大分子鏈段發(fā)生纏結(jié)作 用，大大增加了涂層與基體纖維的分子間作用力，這對(duì)于獲得高界面強(qiáng)度非常重要。本發(fā)明 充分利用同種材料具有良好的熱力學(xué)相容性特點(diǎn)，通過(guò)基體纖維與涂覆液共擠出紡絲得到 同質(zhì)層改性纖維，制備纖維增強(qiáng)復(fù)合材料并對(duì)復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量。由本 發(fā)明提供的基于溶液相轉(zhuǎn)化的同質(zhì)層改性技術(shù)具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、可連續(xù)操作、同 質(zhì)涂層與基體纖維相容性好、復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度大幅提高等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 本發(fā)明所述的同質(zhì)涂層纖維制備方法不同于傳統(tǒng)的涂層纖維制備方法，前者是基 于溶液相轉(zhuǎn)化技術(shù)，而后者是基于普通粘合技術(shù)。本發(fā)明的關(guān)鍵在于首先涂層材料需與基 體纖維同質(zhì)；其次選取能夠溶解基體纖維或同質(zhì)粒料的溶劑，配制同質(zhì)涂覆液；最后是凝 固浴的配制。在連續(xù)化生產(chǎn)過(guò)程中，同質(zhì)涂覆液對(duì)纖維產(chǎn)生部分溶脹或溶解，涂覆液中的有 效成分能夠進(jìn)入纖維內(nèi)部并經(jīng)凝固浴固化成形，同質(zhì)涂層部分嵌入纖維內(nèi)部且與纖維有良 好的相容性，同時(shí)在凝固浴中經(jīng)相轉(zhuǎn)換作用使得纖維表面粗糙度大幅提升。傳統(tǒng)涂層方法 中，由于涂層只是包裹在基體纖維表面且與基體纖維不同質(zhì)，所以與基體纖維相容性差，當(dāng) 復(fù)合材料受到較大外界應(yīng)力時(shí)往往是纖維與涂層之間產(chǎn)生滑移，而不是基體與纖維涂層之 間。本發(fā)明所述的基于溶液相轉(zhuǎn)化的同質(zhì)層改性技術(shù)不同于傳統(tǒng)涂覆理論，因此具有同質(zhì) 涂層與基體纖維相容性好、分子間作用力大、不易脫落、表面粗糙度大等優(yōu)點(diǎn)。在該工藝方 法中，因同質(zhì)涂覆液對(duì)基體纖維有一定的溶解能力，因此在制備同質(zhì)涂層纖維的過(guò)程中，既 要