芳纶基含硅有机/无机杂化材料的制备及应用研究

As high-performance synthetic polymer materials, aramid fibers have a wide range of applications in the fields of aerospace and other high-tech. However, as a kind of reinforcing material of the composite material, aramid fibers have several defects such as less surface chemically active groups, poor surface wettability, low surface energy, and poor bonding with the resin matrix,etc. This project aims to prepare soluble aramid-based organic/inorganic hybrid materials based on the domestic aramid 1414 and 1313 via grafting silicone-based functional groups in its structure, which will be used as surface coating material of aramid fibers to improve the interfacial properties of aramid fiber and the matrix resin without damaging the skin-core structure of aramid fiber and the composite performance of them with the base resin (e.g. epoxy) will be investigated. As the surface coating material of aramid fibers, the soluble inorganic nano-composite aramid-based hybrid materials will be prepared through the reactions of the above-mentioned hybrid materials with inorganic nanomaterials as polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), and the effects on the performance of aramid/epoxy composite will be studied; In order to reveal the surface modified mechanism of the coating materials to aramid fibers, the hydrolysis gel structure and composition of the aramid-based organic/inorganic hybrid materials will be also investigated. The above hybrid materials will be doping spun with aramid 1313 and their effects on the structures of aramid fibers and the mechanical properties will be explored.

作为一种高性能合成高分子材料，芳纶在航空航天等高科技领域具有广泛的应用。但作为复合材料的增强材料，对位芳纶纤维存在着表面化学活性基团少，表面浸润性差，表面能低，与树脂基体的粘合性能差等缺陷。本项目旨在以国产芳纶1414和1313为基体，通过在其结构中接枝硅氧烷基等功能基，制备可溶性的芳纶基有机/无机杂化材料，并将其作为芳纶纤维的表面涂覆材料，在不损伤芳纶的皮－芯结构前提下改善芳纶与基体树脂的界面性能，研究其与基体（如环氧树脂）间的复合性能；将上述杂化材料与齐聚倍半硅氧烷等无机纳米材料反应，制备可溶性无机纳米复合芳纶基杂化材料，研究其作为芳纶的涂覆材料对芳纶/环氧树脂复合材料的性能的影响；通过对芳纶基有机/无机杂化材料的水解凝胶的结构及组成的研究，揭示涂覆材料对芳纶纤维的表面改性作用机理；将杂化材料与芳纶1313进行掺杂纺丝，研究其对芳纶纤维结构及力学性能的影响。

芳纶纤维是最常用也是最重要的增强材料之一。由于纤维表面浸润性较差，缺少化学活性基团，表面能低，其在形成复合材料时与树脂基体的粘合性能较差，而影响芳纶增强复合材料的力学性能。本项目以芳纶基含硅有机/无机杂化材料的制备及应用为研究主线，重点研究改性对位芳纶（PPTA）或间位芳纶（PMIA）涂覆材料的制备及对聚合物的增强作用，以及聚倍半硅氧烷/对位芳纶纤维复合材料的制备和性能。具体内容包括以下两个方面：1）研制了环氧氯丙烷（ECH）改性的PPTA（PMIA）涂覆材料（PPTA-ECH），首次发现所制备的涂覆剂PPTA-ECH溶液中是由直径约为50～200nm的核壳结构纳米球组成且分散在溶液中，环氧化的PPTA可以在纤维表面有效铺展并形成薄膜，并揭示了其成膜机理。发现涂覆剂极大的改善了PPTA织物/环氧树脂之间的层间剪切强度和面内剪切强度。我们还发现了具有球型核壳结构的PPTA-ECH的新用途，即利用PPTA-ECH化学或物理修饰多壁碳纳米管，而PPTA-ECH化学修饰多壁碳纳米管/PVC复合薄膜的屈服强度、杨氏模量和韧性相对于纯的PVC最大提高了227.84%、201.56%和589.96%。2）成功合成了聚氨基倍半硅氧烷/对位芳纶纤维复合材料、聚巯基倍半硅氧烷/对位芳纶纤维复合材料、聚（氨丙基和巯基丙基硅烷）/对位芳纶纤维复合材料，发现偶联剂的种类和反应比例对复合材料表面结构有较大影响，而聚倍半硅氧烷对芳纶的皮芯结构有一定程度的破坏，使纤维的力学性能下降。同时发现该类材料在高效富集贵重金属方面的新功能，考察了材料结构与性能之间的构效关系。本系列研究取得了丰硕的创新性与突破性研究成果，在国内外权威学术期刊发表论文23篇，其中被SCI收录19篇；获得国家发明专利授权9项。根据项目研究内容申报并完成山东省科技计划1项。期间，项目组成员参加了国内学术会议2次，培养了5位硕士生，完成了项目计划书中的各项任务，达到了预期目标。