芳纶纤维表面络合改性分子机制及构效关系研究

The exploration of facile and low cost strategies for the surface treatment of aramid fibers and the foundation of new theory for the reconstruction of the surface chemical-physical properties has great significance for the development of low cost aramid-based composites with good material performance. Bearing the key scientific issues of the surface treatment of aramid fibers in our mind, this project is designed to investigate the complexion interaction mechanism between the Lewis acids and hydrogen bonds networks on the surface of the aramid fibers in solution, to fulfill the modification of physical chemical properties of aramid fiber’s surface, such as roughness, wettability, thus demonstrating the relationship of the species of Lewis acids and their surface properties. On the basis of the complexion modification mechanism study, new interaction model and new theory of surface treatment technology to aramid fibers will be established. As a proof and concept application of the treated aramid fibers, the epoxide resin/aramid fibers composites will be prepared and their molecular-level chemical physical properties, such as interfacial properties, stripping performance, mechanical strength, will be fully investigated towards to understand the efficiency of the newly developed treatment technology. The findings and achievement of this project will provide new insights into the surface treatment strategy for aramid fibers, and provide new technologies for the development of new composites strengthen by aramid fibers in the future. Therefore, the successful enforcement of this project has both of significant scientific and social value.

探索工艺简单、成本低廉的芳纶纤维表面处理方法，建立芳纶纤维表面物理、化学性质重构新理论，对于研究开发低成本高性能芳纶纤维增强复合材料具有重要意义。本项目拟研究溶液中路易斯酸与芳纶纤维表面固液作用机制，实现对芳纶表面微观结构调控，提高其粗糙度与浸润性能，阐明路易斯酸结构与改性效能之间的构效关系；研究络合改性剂与芳纶纤维表面芳纶氢键网络作用机制，研究芳纶纤维表面晶体结构转变动力学，建立芳纶表面氢键络合改性新模型与新理论；以环氧树脂/芳纶纤维复合材料为模型，研究改性后芳纶纤维表面物理、化学微观结构与复合材料性质之间构效关系，研究其界面性能，剥离性能、机械强度等。评价路易斯酸溶液改性芳纶纤维表面效能。该项目的成功立项与实施，为探索芳纶纤维表面改性研究提供理论依据，为高性能芳纶复合材料研究提供技术支撑，研究成果具有重要的科学意义与社会效益。

芳纶纤维在增强聚合物材料时，由于芳纶纤维的高结晶度致使其表面光滑、化学活性低，导致芳纶纤维与聚合物基体的界面粘接性能差，因此需要对芳纶纤维进行表面改性来提高芳纶纤维与聚合物基体的界面粘接性能。该项目围绕芳纶表面络合改性机理及改性后功能化的关键科学问题，研究了CaCl2或 LiCl溶液与芳纶纤维表面固液作用机制；采用氯化锌乙醇离子液体处理芳纶纤维，研究了纤维表面氢键重构对纤维的结构与性能造成的影响；通过盐酸来活化芳纶纤维表面，为接枝PEG提供活性位点。在芳纶纤维表面络合改性提高其表面极性及粗糙度的基础上，对其功能化进行了探讨：选用水热反应在芳纶纤维表面原位生成纳米氧化锌；在纤维表面引入巯基官能团，然后利用化学反应在纤维表面沉积银粒子，制备出具有较高的电导率的金属银镀层导电芳纶；对改性芳纶纤维进行功能化处理，采用化学镀的方法对其进行功能化镀银，研究了芳纶纤维功能化后表面化学组成、微观形貌、热稳定性、电学性能。.发现 CaCl2或LiCl能与芳纶纤维分子链中的羰基发生络合，从而破坏芳纶纤维分子链间的氢键，络合作用能够破坏芳纶纤维的结晶区域，降低芳纶纤维的结晶度，通过络合作用破坏芳纶纤维分子链的规整性，从而对芳纶纤维表面进行刻蚀，使芳纶纤维表面形成沟槽，表面粗糙度增大。发现 CaCl2乙醇溶液浓度为5 wt%处理时间为5 h时处理效果最好，芳纶纤维/环氧树脂复合材料的ILSS 提升最大。LiCl乙醇溶液最佳处理条件是处理时间为3h，浓度为6 wt%。盐酸会对芳纶纤维表面的氢键破坏，涂覆PEG涂层的过程中会实现氢键的重构，这种络合机理与路易斯酸对芳纶纤维表面的络合机理比较类似，是对芳纶纤维表面络合机理的进一步补充。芳纶纤维经表面络合改性提高其表面极性及粗糙度后，可有效实现对其多种的功能化改性。.该项目探讨了芳纶纤维表面络合改性及改性后功能化机理，为高性能芳纶复合材料及芳纶纤维的功能化研究提供了技术支撑，具有较重要的科学意义与社会效益。