一種基于同質(zhì)層聚酯纖維改性方法及其復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)涂層纖維及復合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚酯（PET)纖維在1941年問世后發(fā)展迅速，我國已成為全球聚酯纖維生產(chǎn)大國。 2013年6月我國聚酯纖維產(chǎn)量1571. 46萬噸，同比增長6. 3%，占合成纖維總量的約87%， 占化學纖維總產(chǎn)量的約78%。然而，近年來聚酯纖維的產(chǎn)能過剩的壓力日益突出，國家《化 纖"十二五"發(fā)展規(guī)劃》提出，如何進一步提高聚酯纖維差別化率及聚酯纖維產(chǎn)業(yè)化對加快 我國紡織行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級具有重要意義。
[0003] 聚酯由于其高度對稱的化學結(jié)構(gòu)和易于結(jié)晶的柔性連段，被認為是一種綜合性能 優(yōu)異的纖維原料，具有出眾的耐化學藥品性、耐磨性和抗褶皺性等性能。目前，聚酯纖維、織 物增強復合材料在汽車工業(yè)、建筑、交通、醫(yī)療、航空、航天等眾多工業(yè)部門得以應(yīng)用?；w、 增強體和界面是復合材料的三要素。在給定基體和增強體的情況下，復合材料的力學性能 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 保護復合材料；不良的界面不能夠及時快速的將外界應(yīng)力傳遞到增強體，從而導致基體與 增強體之間開裂，使復合材料失去使用價值，甚至可能引發(fā)災難性的后果。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復合材料的發(fā)展。因此提高復合材 料界面粘結(jié)性能的技術(shù)具有非常重要的意義。欲得到一個良好的界面，必須對增強體或基 體進行改性。其中對增強體纖維表面改性是改善復合材料界面粘結(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，通入氮氣、氧氣或氬氣等氣體，調(diào)節(jié)氣流量；③在一定功率下處 理一定時間得到表面活化的纖維（參見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PET纖維/環(huán)氧復合 材料界面改性的研宄[J].復合材料學報，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是不能連續(xù)處理纖維、處理后 活化效果有很強的時效性，必須現(xiàn)用現(xiàn)做；處理后的纖維復合材料力學性能提升不明顯。
[0006] 2、化學試劑處理改性。它包括：①將纖維清洗干凈，用強堿溶液或異腈酸酯的甲 苯溶液處理PET纖維一定時間；②洗滌纖維以除去表面殘留溶液，烘干備用（參見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 是強堿溶液對纖維的力學性能損傷較大，且復合材料力學性能提升不明顯；用異腈酸酯的 甲苯溶液處理纖維，雖然復合材料力學性能提升明顯，但是所用溶質(zhì)價格高、有劇毒，操作 稍微不當就有可能產(chǎn)生災難性的后果，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間取出；③將纖維通過一定輻照濃度的 紫外線輻照一定時間；④將纖維取出清洗烘干備用（參見朱偉敏，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].化學與粘合，2003(3) :113-115.)。該方法的缺 點是接枝率低，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間后取出， 然后再置于沸水中一定時間以除去表面附著性不強的部分，烘干備用（參見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.)。該方法的缺點是涂層與基體纖維的相容性差，界面粘結(jié)性能差，其復合材料 受外力時容易產(chǎn)生涂層與基體纖維之間的滑移導致材料失效，且不能連續(xù)處理，難以工業(yè) 化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明利用相同物質(zhì)間具有良好的熱力學相容性的基 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，進入凝固浴中進行溶液相轉(zhuǎn)化后固 化成形，得到同質(zhì)層改性后的纖維（具體工藝流程見圖1)。當基體纖維與涂覆液共擠出后， 與凝固浴接觸時，紡絲液中的溶劑向凝固浴擴散，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對基體纖維中高聚物大分子進行溶脹和溶解 作用，在擴散過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，這對于獲得高界面強度非常重要。本發(fā)明 充分利用同種材料具有良好的熱力學相容性特點，通過基體纖維與涂覆液共擠出紡絲得到 同質(zhì)層改性纖維，制備纖維增強復合材料并對復合材料的界面剪切強度進行了測量。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、復合材料界面剪切強度大幅提高等優(yōu)點。
[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)過程中，同質(zhì)涂覆液對纖維產(chǎn)生部分溶脹或溶解，涂覆液中的有 效成分能夠進入纖維內(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 復合材料受到較大外界應(yīng)力時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。在該工藝方 法中，因同質(zhì)涂覆液對基體纖維有一定的溶解能力，因此在制備同質(zhì)涂層纖維的過程中，既 要