高能辐照芳纶纤维结构演化及表面活化协同作用机制研究

芳纶纤维具有明显的皮芯结构，通常纤维表面改性后复合材料以皮层剥离破坏为主，严重影响到纤维强度的发挥。本项目从分子结构设计角度出发，合成模型化合物，研究γ射线高能辐照下模型化合物结构的变化及分子间的反应。采用高能辐照技术对芳纶纤维进行处理，通过芳纶纤维溶液粘度、分子量变化，结合模型化合物的反应，探讨高能辐照条件下芳纶纤维分子结构的演化规律。借助纤维横截面硬度、纤维钩接强度以及原子力纳米压痕技术表征皮芯结构，分析高能辐照对芳纶纤维皮芯结构的作用。同时采用XPS、ATR、SIMS、SEM、AFM等表征芳纶纤维表面组成、结构的变化，确定高能辐照活化纤维表面的作用。在以上研究基础上，探讨高能辐照的芳纶纤维皮芯分子交联和表面活化协同作用机制，在更加精细的层次上调节芳纶纤维表面微区及其复合材料界面相结构，最大限度地优化复合材料的性能，为最终提高芳纶纤维复合材料的使用性能奠定理论和实践基础。

针对国产芳纶纤维F-3A的“皮芯”结构以及纤维表面惰性，该项目从分子结构设计角度出发，合成模型化合物，对γ射线辐照条件模型化合物和改性后芳纶F-3A表面及其复合材料界面性能进行了系统的研究，获得以下成果：.1）采用多种方法对合成的三种模型化合物进行精制、表征，所制备的模型化合物均为高纯度化合物，满足高能辐照处理模拟芳纶纤维分子结构变化的要求；以环氧氯丙烷为辐照介质和接枝剂，研究了高能辐照下模型化合物与接枝剂间的化学反应及结构转化规律；.2）通过芳纶纤维溶液粘度、分子量变化，结合以上模型化合物在辐照作用下的反应，明确了高能辐照对芳纶纤维分子结构的演化规律。研究结果表明高能辐照射线处理明显改善芳纶纤维的“皮芯”结构，纤维强度和比浓粘度等均明显提高，通过纤维勾结强度及纤维单丝强度测试，高能辐照对纤维本体损伤较小，因而控制不同的辐照计量可以在纤维本体强度最大的前提下，大幅提升纤维表面活性；.3）高能辐照处理后纤维表面组成和状态均发生明显变化：表面活性增强、对液体吸附的接触角变小、表面能增大，对树脂的浸润性和吸附性明显增强。通过对辐照剂量、接枝剂浓度等因素的调控，实现了皮芯分子交联和表面活化效果的匹配；.4）高能辐照作用可以在芳纶纤维表面接枝活性基团和活性点，从而改善纤维表面活性，以及实现纤维表面氨化、羟基化或者其他反应，从而拓宽芳纶纤维的改性处理空间。利用多种测试技术对芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度等力学性能进行表征，研究结果表明，通过调节芳纶纤维表面微区及其复合材料界面相结构，可最大限度地优化复合材料的性能，在辐照剂量为400kGy条件下分别引入环氧氯丙烷和1,4-二氯丁烷作为辐照接枝剂，复合材料的层间剪切强度分别提高了25.79%和32.61%。