专利名称：一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法
技术领域：
本发明涉及一种芳纶纤维的表面处理方法，更具体地说，本发明涉及一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法。
背景技术：
芳纶纤维是一种高性能的有机纤维，具有高强高模、耐高温、比重轻、抗冲击、耐疲劳、化学稳定性好、低膨胀、低导热、介电性好等多项优异特点。因此在航空航天领域，芳纶逐渐被大量用作复合材料的增强材料。然而，由于芳纶纤维表面能较低，其与树脂基体之间的浸润性比较差，界面粘结强度低，纤维与基体树脂粘结强度低。因此，必须通过表面改性处理，来提高纤维和树脂基体的界面结合力，从而增强复合材料的力学性能。目前普遍使用的芳纶纤维表面处理方法有表面涂覆法、化学接枝法、等离子体处理等。这些方法在一定程度上改善了纤维与树脂基体相互作用，提高了界面间的结合强度。 但这些方法工艺繁琐、处理速度慢、效率低、成本高，不利于工业化大规模生产；同时，处理效果不稳定、容易对纤维本体造成损伤、力学性能损失严重。国家知识产权局于2005. 2. 23公开了一项申请号为200410027534. X，名称为“一种芳纶-橡胶复合材料的制备方法”的发明专利，该专利提供一种芳纶-橡胶复合材料的制备方法，包括下述步骤(I)将芳纶纤维置于介质中，采用超声波通过介质对芳纶纤维进行表面改性；(2)将改性后的芳纶纤维干燥；(3)将芳纶纤维与橡胶硫化粘合，制成芳纶-橡胶复合材料。本发明采用超声波对芳纶纤维表面进行改性处理，操作方便、经济、安全，可一步完成，处理时间短，效果好，对环境无污染；同时对芳纶纤维本体的损害较小，改性效果显著，可控性好，经超声波表面处理后的芳纶纤维表面活性大，与橡胶基体的粘合力强，所制备的芳纶-橡胶复合材料具有良好的耐疲劳特性、耐热空气老化和湿热老化等优点。上述专利公开了用超声波来对芳纶纤维做表面改性处理，其适用的超声介质为无机强酸、强碱或者不饱和有机单体如甲基丙烯酸系列酯类、丙烯酸系列酯类，上述介质超声作用下腐蚀性极强，对设备要求很高，增加了成本，且这些介质不能在生产芳纶过程中运用于超声处理，不能实现在线连续生产；另外上述处理介质需要单独工艺配置，降低了生产效率,提高了生产成本。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术超声处理介质腐蚀性强，不能改善芳纶纤维表面状态，不能增强树脂与纤维的结合强度的问题，提供一种芳纶纤维的超声波表面处理方法，达到减小介质腐蚀性，改善芳纶纤维表面状态的目的。本发明的另一目的是实现在线连续超声波处理。为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下
一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，包括将芳纶纤维丝束进行超声波处理、清洗以及干燥，得到改性芳纶纤维(改性是指提高表面粗糙度，提高层间剪切强度)，其特征在于所述的超声波处理中，采用的超声波处理介质为酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种。上述酰胺类有机溶剂为N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N, N- 二甲基乙酰胺(DMAC)、 N，N- 二甲基丙酰胺、N, N- 二乙基丙酰胺、N, N- 二乙基乙酰胺、六甲基磷酸三酰胺(HMTA)、 N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或任意比例的几种。本发明所述的将芳纶纤维丝束进行超声波处理是指将芳纶纤维丝束经过导丝辊在线连续通过盛有超声波处理介质的超声波清洗槽，进行超声波处理，液面完全浸没芳纶纤维丝束。本发明所述的将芳纶纤维丝束进行清洗是指将经过超声波清洗槽的芳纶纤维丝束在线连续通过清洗辊，清洗辊上方或侧面有去离子水均匀喷淋。本发明所述的芳纟仑纤维丝束为对位芳纟仑(如芳纟仑II、Kevlar> Twaron)、对位共聚芳纶(如Technora)或者杂环芳纶(如芳纶III、AMPOC)。本发明所述的超声波处理为在超声波功率为20 2000 、超声波频率15 60KHz、超声波处理介质温度为20 80°C的条件下，芳纶纤维丝束在超声波处理介质中超声波处理I 15分钟。本发明所述的芳纟仑纤维丝束经过超声波清洗槽的速度为5 20m/min。本发明所述的清洗的时间为I 5分钟，水温为60 100°C。本发明所述的干燥的时间为O. 2 3分钟，温度为80 160°C。本发明带来的有益技术效果
I、众所周知，超声波能产生强烈的空化效应，空化效应可以使表面处理溶剂快速充分的浸润纤维的表面，改善纤维表面状态，提高纤维表面改性的质量，但是采用普通溶剂加超声处理纤维虽然能改善纤维表面效果，但是效果不明显。酰胺类溶剂为芳纶纤维聚合物树脂的有效溶剂，通常状态下，成品芳纶纤维在酰胺类溶剂中很难溶解。采用酰胺类溶剂作为超声介质，在超声作用下，酰胺类溶剂能有效地刻蚀纤维表面，同时能减少芳纶纤维单丝之间的粘连点，改善表面状态，从而增强树脂与纤维的结合强度；同时超声波处理易于实现纤维的在线处理，缩短纤维表面改性的时间。2、为了克服现有芳纶表面处理方法存在的问题和不足，进一步增强纤维与环氧树脂的结合强度，充分发挥芳纶在增强复合材料中的高强高模优点，本发明将超声波发生器引入纤维生产线，采用酰胺类溶剂作为超声介质，提供一种在线连续或者间歇的表面处理方法，通过实施本发明的方法能有效增强纤维的柔软度，改善手感，提高纤维与环氧树脂的界面粘结性能，进而提高芳纶/环氧复合材料的层间剪切强度；溶剂来源广泛，可回收利用，容易实现在线连续处理；性能稳定，不衰减且安全。3、其他现有技术是使用的现有纤维处理，存在退绕一步，退绕往往会损伤纤维，本发明采用的是将生产出来的芳纶纤维直接在线处理后收卷，没有退绕工序，避免了对芳纶纤维丝束的损伤，提高了产品质量。
具体实施例方式实施例I一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，包括将芳纶纤维丝束进行超声波处理、清洗以及干燥，得到改性芳纶纤维(改性是指提高表面粗糙度，提高层间剪切强度)，其特征在于所述的超声波处理中，采用的超声波处理介质为酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种。通过采用酰胺类的有机溶剂作为超声波处理的介质，其他工艺采用常规技术，即能够明显提高芳纶纤维的性能，如层间剪切强度。实施例2
一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，包括将芳纶纤维丝束进行超声波处理、清洗以及干燥，得到改性芳纶纤维(改性是指提高表面粗糙度，提高层间剪切强度)，其特征在于所述的超声波处理中，采用的超声波处理介质为酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种。其中，酰胺类有机溶剂采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)、 N，N- 二甲基丙酰胺、N, N- 二乙基丙酰胺、N, N- 二乙基乙酰胺、六甲基磷酸三酰胺(HMTA)、 N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或任意比例的几种。实施例3
一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，包括将芳纶纤维丝束进行超声波处理、清洗以及干燥，得到改性芳纶纤维(改性是指提高表面粗糙度，提高层间剪切强度)，其特征在于所述的超声波处理中，采用的超声波处理介质为酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种。本发明所述的将芳纶纤维丝束进行超声波处理具体为将芳纶纤维丝束经过导丝辊在线连续通过盛有超声波处理介质的超声波清洗槽，进行超声波处理，液面完全浸没芳纶纤维丝束。本发明所述的将芳纶纤维丝束进行清洗具体为将经过超声波清洗槽的芳纶纤维丝束在线连续通过清洗辊，清洗辊上方或侧面有去离子水均匀喷淋。上述整个超声波处理、清洗以及干燥过程为在线连续处理。实施例4
在实施例1-3的基础上
本发明所述的芳纟仑纤维丝束为对位芳纟仑(如芳纟仑II、Kevlar> Twaron)、对位共聚芳绝 (如Technora)或者杂环芳纶(如芳纶III、AMPOC)。本发明所述的超声波处理为在超声波功率为20w、超声波频率15KHz、超声波处理介质温度为20°C的条件下，芳纶纤维丝束在超声波处理介质中超声波处理I分钟。本发明所述的芳纶纤维丝束经过超声波清洗槽的速度为5m/min。本发明所述的清洗的时间为I分钟，水温为60°C。本发明所述的干燥的时间为O. 2分钟，温度为80°C。实施例5
在实施例1-3的基础上
本发明所述的芳纟仑纤维丝束为对位芳纟仑(如芳纟仑II、Kevlar> Twaron)、对位共聚芳绝 (如Technora)或者杂环芳纶(如芳纶III、AMPOC)。本发明所述的超声波处理为在超声波功率为2000 、超声波频率60KHz、超声波处理介质温度为80°C的条件下，芳纶纤维丝束在超声波处理介质中超声波处理15分钟。本发明所述的芳纶纤维丝束经过超声波清洗槽的速度为20m/min。本发明所述的清洗的时间为5分钟，水温为100°C。本发明所述的干燥的时间为3分钟，温度为160°C。实施例6
在实施例1-3的基础上
本发明所述的芳纟仑纤维丝束为对位芳纟仑(如芳纟仑II、Kevlar> Twaron)、对位共聚芳绝 (如Technora)或者杂环芳纶(如芳纶III、AMPOC)。本发明所述的超声波处理为在超声波功率为1010 、超声波频率37. 5KHz、超声波处理介质温度为50°C的条件下，芳纶纤维丝束在超声波处理介质中超声波处理8分钟。本发明所述的芳纶纤维丝束经过超声波清洗槽的速度为12. 5m/min。本发明所述的清洗的时间为3分钟，水温为80°C。本发明所述的干燥的时间为I. 6分钟，温度为120°C。实施例7
在实施例1-2的基础上还可以使用间歇方式处理
超声波处理间歇法将芳纶纤维丝束通过卷绕机收在多孔聚丙烯塑料筒子上，然后整卷置于盛有强极性有机溶剂的超声波清洗槽中，液面浸没丝束。清洗间歇法将经过超声波处理的丝筒经放丝装置退绕，然后经过清洗辊，清洗辊上面或侧面有去离子水均匀喷淋。实施例8
芳纶纤维的超声表面处理
A、表面处理将芳纶III丝束以10m/min的速度连续通过盛有N，N-二甲基甲酰胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率80w，频率为40Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为6分钟。B、清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为90°C,水洗时间为5分钟。C、干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为160°C，时间为2分钟。实施例9
芳纶纤维的超声表面处理
A、表面处理将芳纶III丝束以10m/min的速度连续通过盛有N，N-二甲基乙酰胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率300w，频率为40Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为8分钟。B、清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为90°C,水洗时间为5分钟。C、干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式处理，干燥温度为120°C，时间为3分钟。实施例10
芳纶纤维的超声表面处理A、表面处理将芳纶III丝束以8m/min的速度连续通过盛有六甲基磷酸胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率1200 ，频率为15Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为5分钟。B、清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为100°c，水洗时间为5分钟。C、干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为160°C，时间为3分钟。实施例11
芳纶纤维的超声表面处理
A、表面处理将芳纶III丝束以10m/min的速度连续通过盛有N-甲基吡咯烷酮的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率1500 ，频率为60Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为4分钟。B、清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为90°C,水洗时间为5分钟。C、干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为160°C，时间为3分钟。实施例12
芳纶纤维的超声表面处理
A、表面处理将芳纶III丝束以10m/min的速度连续通过盛有N，N-二甲基丙酰胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率400w，频率为40Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为8分钟。B、清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为60°C,水洗时间为4分钟。C、干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式进行干燥，干燥温度为160°C，时间为3分钟。实施例13
芳纶纤维的超声表面处理
表面处理将芳纶III丝束以8m/min的速度连续通过盛有N，N- 二乙基丙酰胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率20w，频率为25Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为10分钟。清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为70°C，水洗时间为5分钟。干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为100°C，时间为I分钟。实施例14
芳纶纤维的超声表面处理
表面处理将芳纶III丝束经卷绕机收在多孔聚丙烯丝筒上，然后将其置于通过盛有 N, N-二甲基乙酰胺的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率90w，频率为25Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为10分钟。
清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为100°c，水洗时间为5分钟。干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为160°C，时间为2分钟。实施例15
芳纶纤维的超声表面处理
表面处理将芳纶III丝束以9m/min的速度连续通过盛有N，N- 二乙基丙酰胺和N，N- 二甲基乙酰胺混合溶液(其中两种溶剂的质量比为4:3)的超声波清洗槽，打开超声波发生器， 功率1000 ，频率为25Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为10分钟。清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为80°C,水洗时间为5分钟。干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为100°C，时间为2分钟。实施例16
芳纶纤维的超声表面处理
表面处理将芳纶III丝束以10m/min的速度连续通过盛有N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N， N-二甲基乙酰胺(DMAC)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)三种混合溶剂
(其中混合溶剂中三者以任意比例混合)的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率 1200 ，频率为22Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为4分钟。清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为70°C，水洗时间为5分钟。干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为100°C，时间为I分钟。实施例17
芳纶纤维的超声表面处理
表面处理将芳纶III丝束以9m/min的速度连续通过盛有N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N， N- 二甲基乙酸胺(DMAC)、N, N- 二甲基丙酸胺、N, N- 二乙基丙酸胺、N, N- 二乙基乙酸胺、六甲基磷酸三酰胺(HMTA)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合溶剂(其中混合溶剂中三者以任意比例混合)的超声波清洗槽，打开超声波发生器，功率1000 ，频率为22Khz。确保溶液浸没芳纶丝束，丝束在溶液中处理时间为4分钟。清洗将经过超声刻蚀的芳纶丝束导入辊式水洗装置，采用蒸馏水进行充分的淋洗，水温为80°C，水洗时间为4分钟。干燥将经过水洗处理的丝束通过热辊筒接粗干燥或者通道式干燥处理，干燥温度为100°C，时间为3分钟。实施例18
未经表面处理的芳纶III纤维/环氧复合材料的层间剪切强度和经超声处理的芳纶III 纤维/环氧复合材料(实例I 10)的层间剪切强度的对比如下
8
权利要求
1.一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，包括将芳纶纤维丝束进行超声波处理、 清洗以及干燥，得到改性芳纶纤维，其特征在于所述的超声波处理中，采用的超声波处理介质为酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种。
2.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的酰胺类有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基丙酰胺、N， N- 二乙基丙酰胺、N, N- 二乙基乙酰胺、六甲基磷酸三酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或任意比例的几种。
3.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的将芳纶纤维丝束进行超声波处理是指将芳纶纤维丝束经过导丝辊在线连续通过盛有超声波处理介质的超声波清洗槽，进行超声波处理，液面完全浸没芳纶纤维丝束。
4.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的将芳纶纤维丝束进行清洗是指将经过超声波清洗槽的芳纶纤维丝束在线连续通过清洗辊，清洗辊上方或侧面有去离子水均匀喷淋。
5.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的芳纶纤维丝束为对位芳纶、对位共聚芳纶或者杂环芳纶。
6.根据权利要求I或3所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于 所述的超声波处理为在超声波功率为20 2000 、超声波频率15 60KHz、超声波处理介质温度为20 80°C的条件下,芳纟仑纤维丝束在超声波处理介质中超声波处理I 15分钟。
7.根据权利要求3所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的芳纶纤维丝束经过超声波清洗槽的速度为5 20m/min。
8.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的清洗的时间为I 5分钟，水温为60 100°C。
9.根据权利要求I所述的一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法，其特征在于所述的干燥的时间为O. 2 3分钟，温度为80 160°C。
全文摘要
本发明提供了一种芳纶纤维的超声波表面改性处理方法。通过选用酰胺类有机溶剂中的一种或者任意比例的几种为超声处理介质，在超声作用下，酰胺类溶剂能有效地刻蚀纤维表面，同时能减少芳纶纤维单丝之间的粘连点，改善表面状态，从而增强树脂与纤维的结合强度；同时超声波处理易于实现纤维的在线处理，缩短纤维表面改性的时间。
文档编号D06M10/02GK102605606SQ20121007023
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者兰江, 刘克杰, 彭涛, 杨文良, 王凤德, 陈超峰 申请人:中蓝晨光化工有限公司