一种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法
【专利摘要】本发明提供了一种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将芳纶纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理，所述的处理温度为恒温零下100℃至零下200℃、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后，通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。本发明中经深冷处理的芳纶纤维复合材料，拉伸性能，抗弯性能，层间剪切性能和耐磨性能获得提高，综合性能更为优异，可满足不同领域内的应用需求，同时提高芳纶纤维复合材料的使用寿命。
【专利说明】一种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，属于高性能纤维复合 材料改性领域。
【背景技术】
[0002] 芳香族聚酰胺纤维（芳纶）是目前世界上发展最快的一种高性能化学纤维。它因 具有高比强度、高比模量、低密度、耐磨损、耐冲击、抗疲劳等优异的力学性能和动态性能； 良好的耐化学腐蚀性，耐高温、低膨胀、低电导率、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介 电性能而受到广泛关注。作为纤维增强复合材料，在密度和强度方面比玻璃纤维增强复合 材料具有更显著的优点，因此被广泛应用于航空航天、国防军工、电子通讯、交通运输、土木 建筑、橡胶制品、体育休闲等领域。但是，芳纶分子结构上的酰胺基团被芳环分离且与苯环 形成了 η共轭效应，导致酰胺基上的H原子活性很差，故芳纶纤维表面缺乏化学活性基团 而呈现惰性，表面浸润性较差，其在形成复合材料时与树脂基体的黏合性能不佳。而且，芳 纶纤维由于在摩擦情况下，易产生原纤化现象，导致其耐磨性能较差，极大限制了其在绳网 领域的应用。
[0003] 目前，芳纶复合材料改性一般采用化学方法和物理方法。化学改性是通过氯磺化、 硝化/还原等化学反应，在纤维表面引入羟基、羧基等极性基团，依靠化学键合或极性作用 来提高纤维与基体之间的粘合强度；而物理技术一般是依靠等离子体、高能射线在纤维表 面通过刻蚀、活化和接枝的综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，增加纤维表面的自 由能，进而达到提高纤维与基体之间的粘结强度的目的。
[0004] 深冷处理又称超低温处理或超亚冷处理，它是常规冷处理的延伸。深冷处理工艺 一般被认为是以液氮作为深冷介质，将被处理样品装在一定的容器内，不同的材料按其特 定的降温曲线，控制降温速率，缓慢地将样品降到液氮温度，保温一定时间，再按升温曲线， 缓慢升到室温的处理过程。这种工艺不仅主要用于黑色金属材料及其合金，有色金属材料 及其合金等，能使金属工具在抗磨料磨损、抗腐蚀磨损、减少内应力以及提高材料的稳定性 等方面都显示出一定程度的改善。
[0005] 迄今为止，将深冷处理工艺应用于芳纶纤维复合材料的改性处理的研究，鲜有报 道。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单，效果明显且无污染的芳纶纤维 聚合物基复合材料改性方法。本发明可增加芳纶纤维和树脂界面粘合性能，提高芳纶纤维 复合材料的综合性能。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案实现的：
[0008] -种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将芳 纶纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理， 所述的处理温度为恒温零下l〇〇°C至零下200°C、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后， 通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。
[0009] 优选地，所述的深冷处理采用在程序控制状态下缓慢降温，降温速度为1°C / min-20°C /min，或直接将样品放入超低温环境中迅速降温，一分钟之内使环境温度从室温 将至深冷处理温度。
[0010] 优选地，所述的芳纶纤维复合材料包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体 的芳纶纤维。
[0011] 更优选地，所述的芳纶纤维为对位芳香族聚酰胺纤维或者间位芳香族聚酰胺纤 维。
[0012] 更优选地，所述的芳纶纤维为Kevlar系列纤维（杜邦公司生产）、NomeX纤维（杜 邦公司生产）、Twaron纤维（帝人公司生产）或Technora纤维（帝人公司生产）。
[0013] 更优选地，所述的芳纶纤维以芳纶短纤维、芳纶长纤维、芳纶无纺布、芳纶二维织 物及芳纶三维织物形式设于基体树脂中。
[0014] 更优选地，所述的树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
[0015] 更优选地，所述的热固性树脂为不饱和聚酯树脂，聚酰亚胺树脂、热固性聚氨酯树 脂或环氧树脂。
[0016] 更优选地，所述的热塑性树脂为聚丙烯，聚苯硫醚，聚氯乙烯或聚碳酸酯。
[0017] 优选地，所述的深冷介质为液氮。
[0018] 所述的深冷处理等同于超低温处理或超亚冷处理，指的是将被处理对象置于特定 的、可控的超低温环境中，使其材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性 能的一种方法。所述的超低温环境为液氮环境或其他方式得到的超低温环境。所述的深冷 处理可以改善芳纶纤维复合材料的综合性能。所述的综合性能包括芳纶纤维复合材料树脂 的界面结合性能、表面摩擦性能、表面为粗糙度、弯曲性能、耐磨损性能等。
[0019] 本发明所述深冷技术应用通常以液氮作为冷源，利用其相变（汽化）吸热来获得 低温环境。氮气是大气中的最主要成份之一，无毒无味，因而深冷技术的应用对环境无害， 属于绿色制造技术范畴。
[0020] 本发明将芳纶纤维复合材料置于深冷介质中进行改性处理，由于树脂在深冷条件 下具有比芳纶纤维更大的收缩率，使树脂与纤维的抱合压力增大，导致界面作用增强，从而 在改善芳纶纤维与树脂基体的粘结性能的基础上，显著提高芳纶纤维复合材料的弯曲性 能、层间剪切性能，耐磨性能等综合性能，并且具有工艺方法简单、操作方便，无污染，处理 成本低的优点，具有显著的经济效益和社会效益，拥有良好的工业应用前景。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022] (1)本发明中经深冷处理的芳纶纤维复合材料具有更为优异的综合性能，可满足 不同领域内的应用需求，同时提高芳纶纤维复合材料的使用寿命。
[0023] (2)本发明中经深冷处理的芳纶纤维复合材料层间剪切性能及弯曲性能有明显的 提高，充分挖掘了芳纶纤维复合材料材料的潜力。
[0024] (3)本发明中芳纶纤维复合材料经深冷处理后树脂与纤维的粘合力增强，形成了 良好的粘合界面，提高了芳纶增强复合材料的综合性能。
[0025] (4)本发明的深冷处理工艺过程及深冷处理设备结构简单，与其他改性处理工艺 相比，更节约能源及生产成本，具有良好的发展前景。
[0026] (5)本发明所述深冷处理技术以液氮作为冷源，利用其相变（汽化）吸热来获得低 温环境、无毒无味、环境友好，属于绿色制造技术范畴。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0028] 实施例1
[0029] -种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，所述的芳纶纤维复合材料为芳纶 (Kevlar-29)非织造布增强环氧复合材料，其包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强 体的芳纶纤维，基体树脂以及芳纶纤维的体积比为50 :50。所述的基体树脂为环氧树脂，所 述的芳纟仑纤维为Kevlar-29,以芳纟仑非织造布形式设于基体树脂中。所述芳纟仑复合材料为自 行制备，芳纶参数：纤维长度3厘米-6厘米，纤维单丝直径12微米；织物组织结构：针刺无 纺布毡；环氧树脂牌号JL-235。制备方法为：采用真空辅助树脂转移成型法。具体步骤：将 4层芳纶织物铺层放入模具内，真空辅助成型过程中，真空模具一侧的导管插入配比好的环 氧树脂，另外一侧的导管连接真空泵抽真空，辅助树脂在真空压力下通过导流管均匀的浸 润织物内部缝隙，待树脂完全均匀浸润织物时停止抽真空，将复合材料保温固化。复合材料 样品尺寸为：长30厘米，宽25厘米，厚度4毫米。
[0030] 所述的改性方法的具体步骤为：将清洁的芳纶（Kevlar-29)非织造布增强环氧 复合材料样品放置于具有深冷介质液氮的深冷处理设备（SLX-30)中，将深冷处理设备的 容器盖紧密闭，以免低温液氮泄露，影响温度控制的准确性及处理效果，设置深冷处理工艺 参数如表1，在程序控制状态下缓慢降温进行深冷处理；深冷处理后，通过程序升温进行回 温。
[0031] 表1深冷处理参数表
[0032]
【权利要求】
1. 一种深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，具体步骤包括：将芳 纶纤维复合材料样品放置于具有深冷介质的深冷处理设备中，将容器密闭，进行深冷处理， 所述的处理温度为恒温零下l〇〇°C至零下200°C、处理时间为1小时-15小时；深冷处理后， 通过程序升温进行回温或将样品从深冷处理设备中取出自然回温。
2. 如权利要求1所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的深冷处理采用在程序控制状态下缓慢降温，降温速度为1°C /min-20°C /min，或直接将样 品放入超低温环境中迅速降温，一分钟之内使环境温度从室温将至深冷处理温度。
3. 如权利要求1所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的芳纶纤维复合材料包括基体树脂以及设于基体树脂中用作增强体的芳纶纤维。
4. 如权利要求3所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的芳纶纤维为对位芳香族聚酰胺纤维或者间位芳香族聚酰胺纤维。
5. 如权利要求3所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的芳纟仑纤维为Kevlar系列纤维、Nomex纤维、Twaron纤维或Technora纤维。
6. 如权利要求3所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的芳纶纤维以芳纶短纤维、芳纶长纤维、芳纶无纺布、芳纶二维织物及芳纶三维织物形式设 于基体树脂中。
7. 如权利要求3所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的树脂为热固性树脂或热塑性树脂。
8. 如权利要求7所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的热固性树脂为不饱和聚酯树脂，聚酰亚胺树脂、热固性聚氨酯树脂或环氧树脂。
9. 如权利要求7所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的热塑性树脂为聚丙烯，聚苯硫醚，聚氯乙烯或聚碳酸酯。
10. 如权利要求1所述的深冷处理对芳纶纤维复合材料的改性方法，其特征在于，所述 的深冷介质为液氮。
【文档编号】B29C71/00GK104228090SQ201410468164
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】许福军, 张荫楠, 陈枫, 邱夷平 申请人:东华大学