專利名稱：一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種芳綸纖維的表面處理方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法。
背景技術：
芳綸纖維是一種高性能的有機纖維，具有高強高模、耐高溫、比重輕、抗沖擊、耐疲勞、化學穩(wěn)定性好、低膨脹、低導熱、介電性好等多項優(yōu)異特點。因此在航空航天領域，芳綸逐漸被大量用作復合材料的增強材料。然而，由于芳綸纖維表面能較低，其與樹脂基體之間的浸潤性比較差，界面粘結強度低，纖維與基體樹脂粘結強度低。因此，必須通過表面改性處理，來提高纖維和樹脂基體的界面結合力，從而增強復合材料的力學性能。目前普遍使用的芳綸纖維表面處理方法有表面涂覆法、化學接枝法、等離子體處理等。這些方法在一定程度上改善了纖維與樹脂基體相互作用，提高了界面間的結合強度。 但這些方法工藝繁瑣、處理速度慢、效率低、成本高，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產；同時，處理效果不穩(wěn)定、容易對纖維本體造成損傷、力學性能損失嚴重。國家知識產權局于2005. 2. 23公開了一項申請?zhí)枮?00410027534. X，名稱為“一種芳綸-橡膠復合材料的制備方法”的發(fā)明專利，該專利提供一種芳綸-橡膠復合材料的制備方法，包括下述步驟(I)將芳綸纖維置于介質中，采用超聲波通過介質對芳綸纖維進行表面改性；(2)將改性后的芳綸纖維干燥；(3)將芳綸纖維與橡膠硫化粘合，制成芳綸-橡膠復合材料。本發(fā)明采用超聲波對芳綸纖維表面進行改性處理，操作方便、經濟、安全，可一步完成，處理時間短，效果好，對環(huán)境無污染；同時對芳綸纖維本體的損害較小，改性效果顯著，可控性好，經超聲波表面處理后的芳綸纖維表面活性大，與橡膠基體的粘合力強，所制備的芳綸-橡膠復合材料具有良好的耐疲勞特性、耐熱空氣老化和濕熱老化等優(yōu)點。上述專利公開了用超聲波來對芳綸纖維做表面改性處理，其適用的超聲介質為無機強酸、強堿或者不飽和有機單體如甲基丙烯酸系列酯類、丙烯酸系列酯類，上述介質超聲作用下腐蝕性極強，對設備要求很高，增加了成本，且這些介質不能在生產芳綸過程中運用于超聲處理，不能實現(xiàn)在線連續(xù)生產；另外上述處理介質需要單獨工藝配置，降低了生產效率,提高了生產成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術超聲處理介質腐蝕性強，不能改善芳綸纖維表面狀態(tài)，不能增強樹脂與纖維的結合強度的問題，提供一種芳綸纖維的超聲波表面處理方法，達到減小介質腐蝕性，改善芳綸纖維表面狀態(tài)的目的。本發(fā)明的另一目的是實現(xiàn)在線連續(xù)超聲波處理。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，其具體的技術方案如下
一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，包括將芳綸纖維絲束進行超聲波處理、清洗以及干燥，得到改性芳綸纖維(改性是指提高表面粗糙度，提高層間剪切強度)，其特征在于所述的超聲波處理中，采用的超聲波處理介質為酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種。上述酰胺類有機溶劑為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)中的一種或任意比例的幾種。本發(fā)明所述的將芳綸纖維絲束進行超聲波處理是指將芳綸纖維絲束經過導絲輥在線連續(xù)通過盛有超聲波處理介質的超聲波清洗槽，進行超聲波處理，液面完全浸沒芳綸纖維絲束。本發(fā)明所述的將芳綸纖維絲束進行清洗是指將經過超聲波清洗槽的芳綸纖維絲束在線連續(xù)通過清洗輥，清洗輥上方或側面有去離子水均勻噴淋。本發(fā)明所述的芳纟侖纖維絲束為對位芳纟侖(如芳纟侖II、Kevlar> Twaron)、對位共聚芳綸(如Technora)或者雜環(huán)芳綸(如芳綸III、AMPOC)。本發(fā)明所述的超聲波處理為在超聲波功率為20 2000 、超聲波頻率15 60KHz、超聲波處理介質溫度為20 80°C的條件下，芳綸纖維絲束在超聲波處理介質中超聲波處理I 15分鐘。本發(fā)明所述的芳纟侖纖維絲束經過超聲波清洗槽的速度為5 20m/min。本發(fā)明所述的清洗的時間為I 5分鐘，水溫為60 100°C。本發(fā)明所述的干燥的時間為O. 2 3分鐘，溫度為80 160°C。本發(fā)明帶來的有益技術效果
I、眾所周知，超聲波能產生強烈的空化效應，空化效應可以使表面處理溶劑快速充分的浸潤纖維的表面，改善纖維表面狀態(tài)，提高纖維表面改性的質量，但是采用普通溶劑加超聲處理纖維雖然能改善纖維表面效果，但是效果不明顯。酰胺類溶劑為芳綸纖維聚合物樹脂的有效溶劑，通常狀態(tài)下，成品芳綸纖維在酰胺類溶劑中很難溶解。采用酰胺類溶劑作為超聲介質，在超聲作用下，酰胺類溶劑能有效地刻蝕纖維表面，同時能減少芳綸纖維單絲之間的粘連點，改善表面狀態(tài)，從而增強樹脂與纖維的結合強度；同時超聲波處理易于實現(xiàn)纖維的在線處理，縮短纖維表面改性的時間。2、為了克服現(xiàn)有芳綸表面處理方法存在的問題和不足，進一步增強纖維與環(huán)氧樹脂的結合強度，充分發(fā)揮芳綸在增強復合材料中的高強高模優(yōu)點，本發(fā)明將超聲波發(fā)生器引入纖維生產線，采用酰胺類溶劑作為超聲介質，提供一種在線連續(xù)或者間歇的表面處理方法，通過實施本發(fā)明的方法能有效增強纖維的柔軟度，改善手感，提高纖維與環(huán)氧樹脂的界面粘結性能，進而提高芳綸/環(huán)氧復合材料的層間剪切強度；溶劑來源廣泛，可回收利用，容易實現(xiàn)在線連續(xù)處理；性能穩(wěn)定，不衰減且安全。3、其他現(xiàn)有技術是使用的現(xiàn)有纖維處理，存在退繞一步，退繞往往會損傷纖維，本發(fā)明采用的是將生產出來的芳綸纖維直接在線處理后收卷，沒有退繞工序，避免了對芳綸纖維絲束的損傷，提高了產品質量。
具體實施例方式實施例I一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，包括將芳綸纖維絲束進行超聲波處理、清洗以及干燥，得到改性芳綸纖維(改性是指提高表面粗糙度，提高層間剪切強度)，其特征在于所述的超聲波處理中，采用的超聲波處理介質為酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種。通過采用酰胺類的有機溶劑作為超聲波處理的介質，其他工藝采用常規(guī)技術，即能夠明顯提高芳綸纖維的性能，如層間剪切強度。實施例2
一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，包括將芳綸纖維絲束進行超聲波處理、清洗以及干燥，得到改性芳綸纖維(改性是指提高表面粗糙度，提高層間剪切強度)，其特征在于所述的超聲波處理中，采用的超聲波處理介質為酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種。其中，酰胺類有機溶劑采用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)中的一種或任意比例的幾種。實施例3
一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，包括將芳綸纖維絲束進行超聲波處理、清洗以及干燥，得到改性芳綸纖維(改性是指提高表面粗糙度，提高層間剪切強度)，其特征在于所述的超聲波處理中，采用的超聲波處理介質為酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種。本發(fā)明所述的將芳綸纖維絲束進行超聲波處理具體為將芳綸纖維絲束經過導絲輥在線連續(xù)通過盛有超聲波處理介質的超聲波清洗槽，進行超聲波處理，液面完全浸沒芳綸纖維絲束。本發(fā)明所述的將芳綸纖維絲束進行清洗具體為將經過超聲波清洗槽的芳綸纖維絲束在線連續(xù)通過清洗輥，清洗輥上方或側面有去離子水均勻噴淋。上述整個超聲波處理、清洗以及干燥過程為在線連續(xù)處理。實施例4
在實施例1-3的基礎上
本發(fā)明所述的芳纟侖纖維絲束為對位芳纟侖(如芳纟侖II、Kevlar> Twaron)、對位共聚芳絕 (如Technora)或者雜環(huán)芳綸(如芳綸III、AMPOC)。本發(fā)明所述的超聲波處理為在超聲波功率為20w、超聲波頻率15KHz、超聲波處理介質溫度為20°C的條件下，芳綸纖維絲束在超聲波處理介質中超聲波處理I分鐘。本發(fā)明所述的芳綸纖維絲束經過超聲波清洗槽的速度為5m/min。本發(fā)明所述的清洗的時間為I分鐘，水溫為60°C。本發(fā)明所述的干燥的時間為O. 2分鐘，溫度為80°C。實施例5
在實施例1-3的基礎上
本發(fā)明所述的芳纟侖纖維絲束為對位芳纟侖(如芳纟侖II、Kevlar> Twaron)、對位共聚芳絕 (如Technora)或者雜環(huán)芳綸(如芳綸III、AMPOC)。本發(fā)明所述的超聲波處理為在超聲波功率為2000 、超聲波頻率60KHz、超聲波處理介質溫度為80°C的條件下，芳綸纖維絲束在超聲波處理介質中超聲波處理15分鐘。本發(fā)明所述的芳綸纖維絲束經過超聲波清洗槽的速度為20m/min。本發(fā)明所述的清洗的時間為5分鐘，水溫為100°C。本發(fā)明所述的干燥的時間為3分鐘，溫度為160°C。實施例6
在實施例1-3的基礎上
本發(fā)明所述的芳纟侖纖維絲束為對位芳纟侖(如芳纟侖II、Kevlar> Twaron)、對位共聚芳絕 (如Technora)或者雜環(huán)芳綸(如芳綸III、AMPOC)。本發(fā)明所述的超聲波處理為在超聲波功率為1010 、超聲波頻率37. 5KHz、超聲波處理介質溫度為50°C的條件下，芳綸纖維絲束在超聲波處理介質中超聲波處理8分鐘。本發(fā)明所述的芳綸纖維絲束經過超聲波清洗槽的速度為12. 5m/min。本發(fā)明所述的清洗的時間為3分鐘，水溫為80°C。本發(fā)明所述的干燥的時間為I. 6分鐘，溫度為120°C。實施例7
在實施例1-2的基礎上還可以使用間歇方式處理
超聲波處理間歇法將芳綸纖維絲束通過卷繞機收在多孔聚丙烯塑料筒子上，然后整卷置于盛有強極性有機溶劑的超聲波清洗槽中，液面浸沒絲束。清洗間歇法將經過超聲波處理的絲筒經放絲裝置退繞，然后經過清洗輥，清洗輥上面或側面有去離子水均勻噴淋。實施例8
芳綸纖維的超聲表面處理
A、表面處理將芳綸III絲束以10m/min的速度連續(xù)通過盛有N，N-二甲基甲酰胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率80w，頻率為40Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為6分鐘。B、清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為90°C,水洗時間為5分鐘。C、干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為160°C，時間為2分鐘。實施例9
芳綸纖維的超聲表面處理
A、表面處理將芳綸III絲束以10m/min的速度連續(xù)通過盛有N，N-二甲基乙酰胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率300w，頻率為40Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為8分鐘。B、清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為90°C,水洗時間為5分鐘。C、干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式處理，干燥溫度為120°C，時間為3分鐘。實施例10
芳綸纖維的超聲表面處理A、表面處理將芳綸III絲束以8m/min的速度連續(xù)通過盛有六甲基磷酸胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率1200 ，頻率為15Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為5分鐘。B、清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為100°c，水洗時間為5分鐘。C、干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為160°C，時間為3分鐘。實施例11
芳綸纖維的超聲表面處理
A、表面處理將芳綸III絲束以10m/min的速度連續(xù)通過盛有N-甲基吡咯烷酮的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率1500 ，頻率為60Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為4分鐘。B、清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為90°C,水洗時間為5分鐘。C、干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為160°C，時間為3分鐘。實施例12
芳綸纖維的超聲表面處理
A、表面處理將芳綸III絲束以10m/min的速度連續(xù)通過盛有N，N-二甲基丙酰胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率400w，頻率為40Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為8分鐘。B、清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為60°C,水洗時間為4分鐘。C、干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式進行干燥，干燥溫度為160°C，時間為3分鐘。實施例13
芳綸纖維的超聲表面處理
表面處理將芳綸III絲束以8m/min的速度連續(xù)通過盛有N，N- 二乙基丙酰胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率20w，頻率為25Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為10分鐘。清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為70°C，水洗時間為5分鐘。干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為100°C，時間為I分鐘。實施例14
芳綸纖維的超聲表面處理
表面處理將芳綸III絲束經卷繞機收在多孔聚丙烯絲筒上，然后將其置于通過盛有 N, N-二甲基乙酰胺的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率90w，頻率為25Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為10分鐘。
清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為100°c，水洗時間為5分鐘。干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為160°C，時間為2分鐘。實施例15
芳綸纖維的超聲表面處理
表面處理將芳綸III絲束以9m/min的速度連續(xù)通過盛有N，N- 二乙基丙酰胺和N，N- 二甲基乙酰胺混合溶液(其中兩種溶劑的質量比為4:3)的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器， 功率1000 ，頻率為25Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為10分鐘。清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為80°C,水洗時間為5分鐘。干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為100°C，時間為2分鐘。實施例16
芳綸纖維的超聲表面處理
表面處理將芳綸III絲束以10m/min的速度連續(xù)通過盛有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)三種混合溶劑
(其中混合溶劑中三者以任意比例混合)的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率 1200 ，頻率為22Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為4分鐘。清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為70°C，水洗時間為5分鐘。干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為100°C，時間為I分鐘。實施例17
芳綸纖維的超聲表面處理
表面處理將芳綸III絲束以9m/min的速度連續(xù)通過盛有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)混合溶劑(其中混合溶劑中三者以任意比例混合)的超聲波清洗槽，打開超聲波發(fā)生器，功率1000 ，頻率為22Khz。確保溶液浸沒芳綸絲束，絲束在溶液中處理時間為4分鐘。清洗將經過超聲刻蝕的芳綸絲束導入輥式水洗裝置，采用蒸餾水進行充分的淋洗，水溫為80°C，水洗時間為4分鐘。干燥將經過水洗處理的絲束通過熱輥筒接粗干燥或者通道式干燥處理，干燥溫度為100°C，時間為3分鐘。實施例18
未經表面處理的芳綸III纖維/環(huán)氧復合材料的層間剪切強度和經超聲處理的芳綸III 纖維/環(huán)氧復合材料(實例I 10)的層間剪切強度的對比如下
8
權利要求
1.一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，包括將芳綸纖維絲束進行超聲波處理、 清洗以及干燥，得到改性芳綸纖維，其特征在于所述的超聲波處理中，采用的超聲波處理介質為酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的酰胺類有機溶劑為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種或任意比例的幾種。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的將芳綸纖維絲束進行超聲波處理是指將芳綸纖維絲束經過導絲輥在線連續(xù)通過盛有超聲波處理介質的超聲波清洗槽，進行超聲波處理，液面完全浸沒芳綸纖維絲束。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的將芳綸纖維絲束進行清洗是指將經過超聲波清洗槽的芳綸纖維絲束在線連續(xù)通過清洗輥，清洗輥上方或側面有去離子水均勻噴淋。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的芳綸纖維絲束為對位芳綸、對位共聚芳綸或者雜環(huán)芳綸。
6.根據(jù)權利要求I或3所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于 所述的超聲波處理為在超聲波功率為20 2000 、超聲波頻率15 60KHz、超聲波處理介質溫度為20 80°C的條件下,芳纟侖纖維絲束在超聲波處理介質中超聲波處理I 15分鐘。
7.根據(jù)權利要求3所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的芳綸纖維絲束經過超聲波清洗槽的速度為5 20m/min。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的清洗的時間為I 5分鐘，水溫為60 100°C。
9.根據(jù)權利要求I所述的一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法，其特征在于所述的干燥的時間為O. 2 3分鐘，溫度為80 160°C。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種芳綸纖維的超聲波表面改性處理方法。通過選用酰胺類有機溶劑中的一種或者任意比例的幾種為超聲處理介質，在超聲作用下，酰胺類溶劑能有效地刻蝕纖維表面，同時能減少芳綸纖維單絲之間的粘連點，改善表面狀態(tài)，從而增強樹脂與纖維的結合強度；同時超聲波處理易于實現(xiàn)纖維的在線處理，縮短纖維表面改性的時間。
文檔編號D06M10/02GK102605606SQ20121007023
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權日2012年3月16日
發(fā)明者蘭江, 劉克杰, 彭濤, 楊文良, 王鳳德, 陳超峰 申請人:中藍晨光化工有限公司