高性能纖維的表面修飾新方法及其橡膠復合材料的界面設計與粘合性能研究.pdf

1、高性能纖維憑借其優(yōu)異的力學特性，化學穩(wěn)定性及其特種功能性，成為高性能復合材料的理想骨架材料，以及航空航天、軍工國防、工業(yè)、醫(yī)療等應用領域的新寵兒。超高分子量聚乙烯和芳綸纖維為有機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的表面惰性及高結晶度，限制了它們在復合材料中的廣泛應用。我國是橡膠工業(yè)生產(chǎn)大國，輪胎、輸送帶、膠管等纖維/橡膠復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，具有簡便易行、環(huán)保無毒的特點，適用于有機、無機，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，設備便捷，易于工業(yè)化等特點。本研究主要內容包括：
　?、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。在二次功能化過程中，探討了反應步驟、反應溫度和單體濃度對接枝效率的影響。隨著反應溫度和單體濃度的提高，環(huán)氧基團的接枝效率隨之升高。對比“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”，并從機理上對此現(xiàn)象作出了解釋。從單根抽出和剝離實驗結果看，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，結合傳統(tǒng)的間苯二酚-甲醛-丁吡膠乳(RFL)浸膠處理后，可進一步改善粘合效果，達到橡膠復合材料的性能指標要求。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鍵結合，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫老化和抗疲勞性能。
　　⑵對間位芳綸(MPIA)和對位芳綸(PPTA)纖維進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，分別提高MPIA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，可滿足PPTA纖維/橡膠復合材料在高溫及長時間老化條件下的應用需求。丁吡膠乳二次功能化的改性效果達到工業(yè)上二浴浸膠處理的水平，不僅簡化改性步驟，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。
　?、抢米贤夤庖l(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，紫外光照接枝的過程中，會造成芳綸纖維強度的損失。
　　⑷進行了高性能纖維在橡膠輸送帶中應用的初步探索。以降低壓陷滾動阻力和減輕輸送帶自重兩方面為切入點，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(@)制備出低壓陷滾動阻力(LRR)底膠配方，從

8、微觀上降低了硫化膠的損耗因子，從宏觀上降低了壓縮屈撓實驗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)過德國漢諾威大學檢測，表現(xiàn)出10％-15％的節(jié)能效果，且壓陷滾動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力、耐高溫和阻燃等三種橡膠輸送帶，達到節(jié)能、環(huán)保、高性能化的目標。國產(chǎn)與進口芳綸纖維的性能接近，但需要進一步改善表面活性及改進浸膠配方，從而實現(xiàn)國產(chǎn)芳綸纖維在工業(yè)上的應