关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂
基体的研究
摘要:芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天、国防、汽车等行业，由于芳纶纤维具有高结晶度、表面化学活性基团少等缺点，使复合材料出现层间剪切强度、横向拉伸强度等性能较低等缺点，限制了复合材料性能的发挥及其应用领域的推广。芳纶纤维复合材料研究，集中在对芳纶纤维表面进行物理的、化学方面的改性处理以及合适树脂基体的选择。本文对这两个方面进行了总结，并提出了相关展望。
关键词:芳纶纤维复合材料改性树脂基体
1前言
1.1芳纶的定义
芳纶是一种高科技纤维,它的全称为“芳香族聚酰胺纤维”,它具有优良的力学性能,理想的机械性质和稳定的化学性质理想的机械性质。由芳香环和酰胺键构成了聚合物大分子的主链,且其中至少86%的酰胺基直接键合在芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子,我国将其定名为芳纶。它包括全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维2大类,全芳族聚酰胺纤维主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维;杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳论,如有序结构的杂环聚酯胺纤维等。由于聚对苯二甲酰对苯二胺（对位芳纶，其产品有Kevlar，Twaron，国产芳纶II）是中国市场上应用最广的芳纶，本文中芳纶均指对位芳纶。
1.2芳纶纤维的应用
纤维增强树脂基复合材料因有比强度高、比模量大、比重小等特点,而得到广泛应用。先进复合材料的增强材料有碳纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维。芳纶纤维具有模量高、强度大以及耐热性和化学稳定性等特点,与金属和碳纤维相比,具有更低的介电常数[1],芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天航空、电子信息等领域,
且在轮胎、胶管、弹道以及热保护产品、工程塑料方面有广泛的应用。
1.3芳纶纤维的缺陷
由芳纶结构可知，它是一种分子对称性、定向程度和结晶度很高的刚性分子而分子间横向作用较弱;另外，由于分子结构中存在大量不易移动的芳香环，使其分子间的氢键结合较弱，致使横向强度低，分子表面活性基团少，表面极性低，使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂，而且芳纶纤维表面易吸水，导致芳纶纤维与树脂基体结合成的两相界面强度低、层间剪切强度较小，影响了复合材料综合性能的发挥。因此，为了发挥芳纶纤维复合材料的综合性能，通过对纤维进行表面改性[2-3]和选择合适的树脂基体来改善芳纶纤维增强复合材料界面结合情况成为了复合材料学界研究的一个热点。
鉴于以上原因本文重点讨论近年来关于芳纶复合纤维材料在纤维表面改性和适用树脂基体选择上的研究。
2芳纶表面改性
芳纶纤维的化学结构使得酰胺基团很难树脂的原子或基团发生反应,纤维表面呈现出较大的化学惰性,纤维与树脂的界面结合能较低,粘附性及浸润性很差,两相界面粘结不理想,而载荷又都是通过界面来进行应力传递的,导致复合材料的层间剪切强度低,影响了复合材料综合性能的发挥,限制了它在复合材料中的广泛应用。
芳纶纤维表面改性的主要目的是使纤维表面粗糙度增加或在纤维表面引入一定数量的活性基团（-COOH,-OH，-NH2等）芳纶纤维表面改性技术可分为物理改性和化学改性两类，物理改性所需技术手段较高，本文重点讨论化学改性手段。国内外研究的芳纶表面处理方法很多,但真正实际应用的并不多。在这些方法中,化学表面接枝改性和等离子体改性两种技术是处理效果比较明显的。
2.1物理改性
物理改性法主要有等离子体处理法,超声波浸渍改性法,高能射线法(高能射线法又分为r射线、x射线和高能电子束法),表面涂层法。重点讨论运用较多的等离子体处理法和表面涂层法。
2.1.1等离子体处理法
等离子体处理技术是目前芳纶纤维表面处理方法中研究最多的一种,包括等离子体活化
和等离子体接枝等技术,用惰性气体和反应性气体条件下冷等离子体处理芳纶纤维表面[4]。 Ping[5]采用氧等离子体对芳纶纤维进行处理,其复合材料的层间剪切强度由处理前的39.2MPa提高到处理后的40.4-52.0MPa。
S.R.Wu采用NH3-,O2-,和H2O-等离子体对芳纶纤维进行处理,其复合材料的层间剪切强度由处理前的20.6MPa提高到处理后的22.5~33.1MPa。
2009年，大连理工大学 Wang[5]等人用氧等离子体改性聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA），发现等离子刻蚀和氧化反应处理后的芳纶表面有新的极性基团 O-C=O 形成，表面粗糙程度增加，表面形态发生变化，同时纤维表面吸湿能力和自由能提高。
等离子体处理效果较好,但是等离子体处理过程中需保持较高的真空度,进行连续在线处理存在很大的困难，且技术要求高。
2.1.2超声波浸渍改性法
超声波浸渍改性法是一种利用超声振动能量来改变物质的结构、状态、功能或加速这些改变的过程的超声波浸渍技术，通过增加纤维表面极性基团的含量和纤维表面粗糙度来提高材料的界面粘结性能，却对纤维损害较小、较有效地提高复合材料力学性能的方法。它对改善树脂基复合材料界面粘结性能的作用主要体现在以下两点:一是在超声作用下，树脂胶液的结构和性能发生变化，有利于提高树脂基体的活性;二是利用超声的振荡来消除胶槽中的气泡，空气以及其它杂物，使胶液能均匀地浸润纤维，从而改善复合材料的界面粘结性能。
2.1.3表面涂层法
表面涂层法是在芳纶纤维表面涂上柔性树脂，然后与树脂基体复合，有利于芳纶纤维与基体形成良好的粘合界面.该涂层可以钝化裂纹的扩展，增大纤维的拔出长度，从而增加材料的抗破坏能力。
1998年，西安交通大学宋月贤等[6]用不含有机溶剂的水溶液高活性改性环氧树脂(CSJR-2)活化液和预缩合间苯二酚-甲醛树脂(SJR-1)配制的RFL浸渍液处理芳纶帘线，获得了令人满意的黏合活化效果.此活性剂不含有机溶剂，工艺简单，可以避免纤维表面未固化的环氧树脂对人体的侵害。
2.2化学改性
化学改性主要包括有表面接枝、表面刻蚀、偶联剂等方法。
表面刻蚀技术是通过化学试剂处理芳纶，引起纤维表面的酰胺键水解，从而破坏纤维表面的结晶状态，使纤维表面粗化.人们常用酰氯类(甲基丙烯酰氯等)、酸碱类(乙酸酐等)等化学刻蚀剂来处理芳纶。
1989年，希腊Andreopoulos等[7]，以及1997年，希腊Tarantili采用甲基丙烯酰氯的CCl4溶液对芳纶进行了处理，一方面，表面粗糙度增加，增大了纤维与基体的啮合，同时除去了弱界面层，增加纤维/基体间的接触面积;另一方面提高了纤维的表面能，使树脂更有效地润湿纤维，因而使改性后的芳纶/环氧复合材料韧性提高8%。
1999年，新加坡Yue[8]采用乙酸酐刻蚀芳纶表面也使界面剪切强度从38 MPa提高到63 MPa，提高了60%，这主要是乙酸酐的作用使纤维表面氧含量增大，从而增大了纤维与基体表面的润湿与结合。
王杨等[9]采用不同浓度的磷酸对芳纶纤维进行处理,酸性物质具有较强的表面氧化和表面刻蚀的能力,当浓度达到20%时,复合材料的界面性能最佳,其层间剪切强度和界面粘结强度分别达到62MPa和60.8MPa,高于未处理纤维的复合材料。
2.2.2表面接枝
在芳纶表面进行接枝改性是化学改性方法中研究最多的方法之一。据接枝官能团位置的不同,大致可分为:苯环上的接枝反应和取代芳纶表层分子中酰胺键上氢的接枝反应。
Ou[10]等采用氯丙烯和3-氯丙基三甲氧基硅烷在Kevlar纤维表面接枝改性，研究表明接枝改性改善了Kevlar纤维与高密度聚乙烯间的相容性，提高了Kevlar纤维/木粉/高密度聚乙烯复合材料的综合力学性能。
B.J.Briscoe等[11]采用无水反应路线,成功将丙二醇、烷基、环氧基及三甲基硅烷等基团接枝到芳纶纤维表面,表面接枝后的芳纶纤维与树脂间的接触角、纤维与水及二碘甲烷的粘附作用都明显降低。
通过偶联剂的连接作用，可使纤维和基体紧密地结合在一起，从而改善材料的界面性能。Menon[12]采用钛酸盐偶联剂处理芳纶纤维表面提高芳纶纤维的粘结性能，处理后芳纶纤维复合材料的弯曲性能得到明显的提高，吸湿明显降低。
2.2.4其他化学改性方式
氟气改性处理，稀土改性处理。
不管是化学改性还是物理改性都存在处理工艺复杂、连续在线处理困难、会对纤维表面结构造成一定程度的损伤、有三废等问题。因此树脂基体的研究显得重要，从树脂基体入手,根据芳纶纤维的结构特点,合成芳纶纤维具有良好浸润性的新型树脂作基体对芳纶纤维复合材料发展显得重要。
3芳纶纤维增强复合材料用树脂基体的研究
作为纤维增强的树脂基体,其主要作用是传递纤维之间的应力;降低、减缓外力对复合材料的冲击,同时能保护纤维免受外力的摩擦损耗。在众多树脂中,应用较多的是环氧树脂,酚醛树脂，也用到双马来酰亚胺树脂,聚氨酯树脂,聚甲基丙烯酸甲酯和聚酰胺树脂。
3.1环氧树脂
环氧树脂是一类重要的热固性树脂，含有独特的环氧基以及经基、醚键等活性基团和极性基团，具有良好的力学性能、粘接性能、耐腐蚀性和电绝缘性，因此被广泛应用于纤维增强复合材料领域。在芳纶/环氧复合材料中，主要利用环氧树脂中氧氢原子的含量高，易于与纤维表面的极性基团形成键合作用，从而提高其层间剪切强度和芳纶纤维的强度转化率，因而在芳纶纤维增强复合材料中使用最广。由于环氧树脂种类较多，常用的芳纶纤维体系有EPR L20环氧树脂体系，E51环氧树脂体系，Kevlar 49增强Epikote 828环氧树脂体系等，性能各异，因此国内外学者通过不同的方法对多种树脂进行了研究。
英国的Pieter J. de Lange等人通过单丝拔出实验，拉曼光谱实验，XPS实验，接触角测试以及原子力显微镜等方法对芳纶增强EPR L20环氧树脂体系的界面粘结性能进行了全面的分析。结果显示纤维表面氧氮含量提高，复合材料界面强度较高。
日本的K. Komai和K. Minoshim 研究了吸水性对芳纶纤维拉伸性能及界面粘结性能的影响，其选用的复合体系是Kevlar49/#2500。结果表明:干燥时拉伸十燥时拉伸强度为163.4MPa.吸湿后为85.9MPa。
但在通常情况下，与其他热塑性塑料相比，未改性的三维网状结构的环氧树脂不是用作摩擦材料的最佳选择。用纳米材料改性环氧树脂，提高摩擦性能和基体的机械性能。Qingming Jia等用聚氨酯和蒙脱土改性的有机物改性环氧树脂纳米复合材料，实验结果表明，改性后的环氧树脂基体的摩擦系数和摩擦损耗有较大幅度的降低，基体的机械性能和热性能也同样得到提高。
3.2酚醛树脂
酚醛树脂存在着着模量过高、硬度大、耐高温性能差等缺点，因此在摩擦材料领域对酚醛树脂的研究和开发主要集中在增加酚醛树脂的韧性、提高耐热性。
为提高酚醛树脂作为摩擦材料的物理性能和摩擦性能，Seong Jin Kim等研究了用芳纶纤维纸浆增强酚醛树脂基体，芳纶纤维纸是一个很好的加工助剂，且具有良好的填充保留率，同时能提高摩擦性能和摩擦稳定性。实验结果表明，酚醛树脂与芳纶纤维纸间的空隙和硬度成正比关系，芳纶纤维纸改性的酚醛树脂的摩擦性能具有很好的热稳定性、摩擦稳定性。3.3双马来酰亚胺树脂
双马来酰亚胺(BMI)由顺丁烯二酸酐与芳香二胺通过缩聚而成，以马来酰亚胺为活性端基的双官能团化合物。双马来酰亚胺树脂作为一种耐热性的高性能树脂基体，几年来受到了广泛的关注。
T.K. Lin和S.J.Wu等人用柔性官能团对BMI进行改性，制备了芳纶/(BMI-DMA)、芳纶/BMPP和芳纶/BMIF三种层合板，通过单丝拔出实验测试其层间剪切强度。结果表明后两种体系ILSS值明显高于未改性的芳纶/(BMI-DMA)体系。同时得出处理液浓度为0.2%，处理时间为150s时为最优条件，此时ILSS值最高。
3.4聚酰胺树脂
聚酰胺(俗称尼龙，PA)是一种重要的、应用较广的热塑性工程塑料，具有优异的性能，但对温度、水分较为敏感，随着温度和湿度的增大，其化学性能降低，尺寸稳定性受到影响，但其冲击性能有所提高。芳纶纤维可用于增强聚酰胺基体。如果将芳纶纤维编织成三维结构，纤维贯穿材料的三个方向形成整体网状结构，这就能克服传统单向纤维增强树脂复合材料沿纤维横向方向刚度和强度性能较差的情况，但这种结构的复合材料的层间剪切强度偏小，层与层之间粘结不牢，受冲击时，材料的韧性低。
D.H. Gordona等对芳纶纤维增强PA4b复合材料的摩擦性能进行了研究，实验结果表明:当芳纶纤维的含量15%时，其增强的PA46的复合材料的性能最差，但在较大的载荷和测试速率时，具有较高的磨损率。
3.5聚酰亚胺树脂
聚酰亚胺(PI)主要由二元胺和二元酐可通过缩聚型或加聚合成而制得，是综合性能最好，应用最广的特种工程材料。属于绝缘材料，根据活性封端基，热固性聚酰亚胺树脂可分为以Nadic酸配封端的PMR聚酰亚胺，乙炔封端的聚酰亚胺和双马来酰亚胺。其中PMR聚酰亚胺应用最广，由美国的NASA Lewis研究中心研发[12]，以PMR型聚酰亚胺为基体的复合材料主要应用在航天材料。
3.6聚甲基丙烯酸甲酯
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有操作简单、生物相容性优良、成本低廉等优点，在医学界被广泛应用于作为义齿基托的主要树脂基体。然而由于PMMA较容易碎裂，义齿基脱和容易变形，为了提高PMMA的机械性能，人们开始研究用金属材料、碳纤维等材料增强PMMA基体。T. M. Wright等研究了芳纶纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯的机械性能。实验结果表面，采用芳纶纤维增强PMMA树脂基体大大增加了材料的弹性模量和抗张强度，当加入质量分数位7%含量的纤维时，材料的强度和断裂切性分别提高了32%和74%。
3.7新型乙烯基酯树脂
乙烯基酯树脂是60年代发展起来的新型树脂。它集良好的耐热性、耐腐蚀性和韧性于一身，综合了环氧树脂优良的机械性能，又有类似于不饱和聚酯树脂的良好工艺特性和固化特性。此外，乙烯基酯树脂可通过辐射、紫外线、电子射线来固化。因而近年来乙烯基酯树脂得到了广泛的应用。乙烯基酯树脂的特点是分子中含有端基不饱和双键，合成方法主要是通过不饱和酸与低分子量聚合物分子中的活性点反应，引进不饱和双键。目前国内外通常使用的骨架聚合物为各种类型的环氧树脂，不饱和酸为甲基丙烯酸或丙烯酸等。
王耀先等研制的新型BEM-3乙烯基酯树脂，合成中没有使用价格较高的环氧树脂，而是首次开发采用2，2’-(4,4’-二羟乙基酚基)丙烷(简称OA)作为骨架，OA结构稳定，性能优良，合成原料来源广泛，制备工艺比较简单。用OA作骨架制得的BEM-3树脂，不仅具有良好的固化特性和工艺性能，而且具有优良的耐热性和耐腐蚀性。
3.8新型AFR树脂
王耀先等[13]根据芳纶纤维的结构特点，设计合成了一类对芳纶纤维具有良好浸润性的新型树脂(AFR)作基体，通过层压成型工艺制备了芳纶/AFR复合材料。该复合材料界面粘结性好，芳纶单向增强AFR树脂基复合材料层压板的层间剪切强度和横向拉伸强度分别为72.1 MPa和29.3 MPa，分别比芳纶/E-51环氧树脂单向复合材料提高了24.3%和27.9%.由此可见，
采用AFR树脂作基体，制备芳纶/AFR复合材料，无须对纤维进行复杂而效果又不甚理想的表面处理，就可以明显改善纤维与树脂的界面粘结性能，获得性能优异的新型复合材料。
4总结与展望
对于芳纶纤维的表面改性技术的研究己经有了很多的报道，但是外在的处理方法(无论是化学处理还是物理方法)总会在一定程度上对纤维材料木身的性能造成损伤。因此，如何在兼顾表面处理效果与纤维木身性能两者之间的关系的基础上，进一步提高纤维与树脂基体之间的界面结合能力仍然是今后很长一段时间的研究难点和重点。在今后的研发工作中应加大基础研究的深度和系统性，同时注重产、学、研的深入融合，加快基础研究的工程化应用的进程。从基础研究的角度来看，该领域的研究可以着重从以下3个方面考虑。一是从聚合物的合成出发，应用分子设计与剪裁原理引入特定的官能基团，达到提高纤维表面极性的目标;二是从纤维成型出发，通过纺丝过程中对纤维进行官能化改性;三是在复合材料设计与成型方面出发，通过新原理、新效应、新工艺的研究，获得综合性能优异的新型芳纶纤维复合材料。
芳纶纤维对高性能树脂基体的基本要求为:树脂本身具有较好的力学性能和耐热性能，室温或工作温度下粘度较低，有一定的储存期，对芳纶纤维具有较好的浸润性、粘附性和匹配性，树脂的固化温度不应过高而且在固化温度下有较好的反应性[14]。因此开发带有多活性官能团、耐热、高模量、高韧性、高透波率的树脂基体成为目前的首要任务。
参考文献
[1] 肖艳.复合材料的发展历程及其应用[J]. 建筑,2009,24:59-60.
[2] Ju Wu,Xianhua Cheng. Interfacial Studies on the Surface Modified Aramid Fiber Reinforced Epoxy Composites [J]. Journal of Applied Polymer Science,2006,102:4165-4170.
[3] Pieter J.de Lange,Peter G.Akker,Edith Ma’der. Controlled interfacial adhesion of Twaron aramid fibers in composites by the finish formulation[J].Composites Science and Technology,2007,67:2027-035.
[4] Yu Ren,Chunxia Wang ,Yiping Qiu. Influence of aramid fiber moisture regain during atmospheric Plasma treatment on aging of treatment effect on surface wettability and Bonding strength to epoxy [J]. Applied Surface Science,2007,253:9283-9289.
[5] Wang J, Chen P, Li H, et al. Surface characteristic of poly(p-phenylene terephthalamide) fibers with oxygen plasma treatment [J]. Surface and Interface Analysis , 2008 ,40: 1299-1303. [6] 宋月贤,郑元锁,袁安国等. 芳纶帘线与NR的粘合性能研究[J]. 橡胶工业,1998 , 45 (11) : 660-662.
[7] Tarantili P A, Andreopoules A G. Mechanical properties of epoxies reinforced with chloridetreated aramid fibers [J]. Journal of Applied Polymer Science,1997,65 (2):267 -276. [8] Yue C Y, Padmanabhan K. Interfacial studies on surfacemodified Kevlar fiber/epoxy matrix composites[J]. Composites Part B: Engineering, , 1999 ,30(2):205-217.
[9] 王杨,李鹏,于运花等. 芳纶纤维的磷酸表面处理及其树脂基体复合材料界面性能[J]. 复合材料学报,2007,3(24):33-37.
[10] Ou Rongxian,Zhao Hui,Sui Shujuan,et al. [J]. Composites：Part A，2010，41：1272-1278.
[11] B. J. Briscoe and D. R. Williams.Chemically Grafted Kevlar Fibers and Their Surface Characterization [J]. Controlled Interphases in Composite Materia1s,1990:67.
[12] 阮崇智.大型纤维缠绕复合材料壳体结构工艺设计问题[J]. 固体火箭技术,1995,8(2) :2-4.
[13] 周杨春,赖娘珍,王耀先,程树军. 芳纶纤维复合材料界面粘结性能研究[J]. 北工新型材料，2009, 37(8):57-58, 62.
[14] 邓杰,艾涛. 用于树脂传递模塑((RTM)的高性能树脂基体研究[J]. 化学与粘合,2006, 28(2):77-78.
纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小，一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性材料，容易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度和模量要低得多，但可经受较大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。 纤维增强复合材料，由纤维的长短可分为短纤维增强复合材料、长纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于纤维和基体的不同，品种很多，如碳纤维增强环氧、硼纤维增强环氧、Kevlar纤维增强环氧、Kevlar 纤维增强橡胶、玻璃纤维增强塑料、硼纤维增强铝、石墨纤维增强铝、碳纤维增强陶瓷、碳纤维增强碳和玻璃纤维增强水泥等。（1新型纺织材料及应用宗亚宁主编中国纺织出版社） 纤维增强复合材料的性能体现在以下方面： 比强度高比刚度大，成型工艺好，材料性能可以设计，抗疲劳性能好。破损安全性能好。多数增强纤维拉伸时的断裂应变很小、叠层复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度很低、影响复合材料性能的因素很多，会引起复合材料性能的较大变化、用硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等高性能纤维制成的树脂基复合材料，虽然某些性能很好，但价格昂贵、纤维增强复合材料与传统的金属材料相比，具有较高的强度和模量，较低的密度、纤维增强复合材料还具有独特的高阻尼性能，因而能较好地吸收振动能量，同时减少对相邻结构件的影响。 从本世纪40年代起，复合材料的发展已经历了整整半个世纪。随着技术的提高，应用领域已从航空航天和国防军工扩展到建筑与土木工程、陆上交通运输、船舶和近海工程、化工防腐、电气与电子、体育与娱乐用品、医疗器械与仿生制品以及家庭与办公用品等等各部门。复合材料在建筑上可作为结构材料、装饰材料、功能材料以及用来制造各种卫生洁具和水箱等。 纤维增强复合材料由增强材料和基体材料构成，每部分都有各自的作用，影响复合材料的性能。 作为增强材料的纤维是组成复合材料的主要成分。在纤维增强复合材料中占有相当的体积分数，同时是结构复合材料承受载荷的主要部分。增强纤维的类型、数量和取向对纤维增强复合材料的性能十分重要，它主要影响以下的方面：（1）密度；
2、FRP复合材料在结构加固工程中应用领域 2.1民用建筑、桥梁及工业厂房 FRP复合材料因其优异的力学性能，在民用建筑及工业厂房的加固中应用很多，主要有：①梁加固。加固的作用包括抗弯和抗剪。在进行抗弯加固时，FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，已提高梁的承载能力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层AK-60可以提高承载力30%左右，贴两层可以提高40%左右；在进行抗剪加固时，FRP复合材料的纤维方向与梁的轴向垂直； ②板加固。一般对于板的加固净空要求比较高，而且加固后不影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择；③柱加固。芳纶纤维布、玻璃纤维布是比较理想的柱加固材料。因为它们的弹模小，相对于碳纤维（弹模235Gpa），其延性较好；并且，在进行棱角打磨时一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纤维则需要30mm左右，若采用芳纶纤维就可以节约很多工时。2.2地铁、隧道 因地铁和隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力与地面结构是不一样的。在洞顶和洞侧，它都有土压力的作用，而且也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，传统的加固方法不可行，而用芳纶纤维布（不导电）进行加固维修就可以满足它的各方面要求，因为在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的，这就要求修复材料必须具有良好的抗剪性能，而且还是一种不导电的材料，所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。 2.3烟囱、水塔 由于烟囱水塔这样向高空发展的结构，加固维修特别困难，传统加固方法（如扩大截面法、粘钢法）基本上很难解决这样的问题，而采用轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的复合材料（尤其是芳纶纤维）进行加固，就是一种很好的方法。 3、几种加固方法的比较
碳纤维表面处理研究现状
碳纤维表面处理研究现状 摘要：综述了碳纤维的应用领域，当前国内外的碳纤维的生产状况，分析了各种碳纤维表面处理的研究现状以及各方法的优缺点。分析结果表明：国外对我国碳纤维生 产进行了技术封锁，我国工业化碳纤维生产与日本等国有较大差距。电化学氧化法对碳纤维表面处理效果较好，处理后碳纤维表面活性基团数量明显增多，生产条件易于控制，该方法很好应用于工业生产。 关键词：碳纤维；表面处理；电化学氧化法； 引言 随着国防科技要求的不断提高，航天航空、军事武器等高科技设备对材料的性能要求的提高，碳纤维复合材料以其耐高温，耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀、高比强度等特点被广泛的应用于这些领域。国外碳纤维材料生产研发较早，现今以日本，美国等国家的生产技术领先于世界。 碳纤维按其加工的先驱体不同可以分为：粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基（PAN）碳纤维。碳纤维作为一种增强相与金属、陶瓷、树脂等结合使复合材料的性能得到很大提高。碳纤维表面的活性基团较少，表面光滑，为更好的与基体材料结合，需要在材料复合前对纤维进行一定表面处理。碳纤维表面处理按当前的研究现 状可以分为氧化法和非氧化法。在此对纤维的生产状况做出一些介绍以及纤维表面处理的各种方法做比较。 1碳纤维应用领域及国内外生产状况 碳纤维复合材料具有卓越的物化性能，被广泛应用于航天航空、国防军事、体育用品、风能发电、石油开采以及医疗器械⑴。 碳纤维被用于制造飞机、航天器、卫星等，因碳纤维的轻质、高强度等特点，飞行器的噪音小，飞行所需的燃料消耗降低。据有关报道，飞行器每降低1kg的质量，运载飞行器的火箭可以减轻500kg。航天航空领域碳纤维的使用量从2008年的8200t, 到2010年的1万t,预计今年将达到1.3万t。在飞机的制造中，纤维复合材料应用比例都
高性能增强材料——芳纶纤维 安源 摘要: 芳族聚酰胺纤维由美国杜邦公司于20世纪60年代首先开发并最早实现工业化生产。该产品可以用做增强材料。介绍芳族聚酰胺纤维的发展、性能、制备及其应用。 关键词：芳纶；性能；制备；应用 1 概述 增强材料就像树木中的纤维，混凝土中的钢筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。它不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。例如在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的组元，纤维的力学性能决定了复合材料的性能。 芳纶是芳族聚酰胺纤维的通称,主要分为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维(芳纶1414)和聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)纤维(芳纶1313)。美国杜邦公司于20世纪60年代首先开发出芳纶1313和芳纶1414 ,并最早实现工业化生产(商品名分别为Nomex和Kevlar)。1987年推出了KevlarHT、Kevlar68和Kevlar149。1986年荷兰阿克苏(Akzo)公司生产出Twaron纤维; 1987年日本帝人公司生产出Technora纤维。而中国于1972年开始进行芳纶的研制工作,并于1981年通过芳纶14的践定,1985年又通过芳纶1414的鉴定,它们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar29和Kevlar49。 2 全球芳纶纤维的发展概况 全球芳纶纤维产能主要集中在日本、美国和欧洲，生产芳纶纤维的公司也较为集中，目前全球从事芳纶纤维生产的厂家主要有５个：美国杜邦公司（Kevlar）、日本帝人公司（Twaron、Technora）、俄罗斯卡明斯克化纤股份公司（SVM、Apmoc、Rusar）和特威尔化纤股份公司（SVM、Apmoc）、韩国科隆公司（Kolon），其他国家或公司仅有少量生产。 2009年，全球芳纶纤维生产能力约9.51万t／a，其中对位芳纶纤维产能约6.61万t／ａ，杜邦和帝人二家公司产能合计6.15万t／ａ，占对位芳纶纤维产能的93%；间位芳纶纤维的产能约为2.9万t／ａ，主要的生产公司仍为杜邦公司，产能为全球总产能的75%以上。预测到2015年全球对位芳纶纤维产能可达11.0万t／ａ，问位芳纶的产能为5.2万t／ａ。 2009年全球芳纶纤维的消费量约为7.5万t，其中对位芳纶纤维5.2万t，间位芳纶纤维2.3万t。芳纶纤维的消费区域主要也集中在美国、欧洲和日本。欧洲是世界芳纶纤维的最大消费市场，其消费量占全球总消费量的48%，约为3.6万t；美国消费量占全球36，约2.7万t；日本消费量约占全球11%，约0.8万t；其他地区约0.4万t。随着生产技术的发展以及生产成本的逐步降低，芳纶纤维的消费领域已经逐步从应用于军工和航天领域的特殊材料，发展成为在工业和民用领域有着广泛应用的高性能材料。 3 我国芳纶纤维的基本概况
南昌航空大学科技学院 毕业设计（论文）开题报告 题目碳纤维表面改性研究进展 专业名称高分子材料与工程 班级学号088102121 学生姓名刘强 指导教师万里鹰 填表日期2012 年 3 月16 日
碳纤维的表面改性研究进展 一．选题的依据及意义： 1.碳纤维简介 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外，碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。但未经表面处理的碳纤维表面惰性大，缺乏具有化学活性的官能团，与基体的黏结性差，界面中存在较多的缺陷，限制了碳纤维高性能的发挥。因此，国内外对碳纤维的表面改性研究非常活跃。碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面活性，强化碳纤维与基体树脂之间界面性能，达到提高复合材料层间剪切强度的目的。 作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 2 碳纤维表面结构与性能 碳纤维一般是用分解温度低于熔融点温度的纤维状聚合物通过千度以上固相热解而制成的,在热裂解过程中排出其它元素,形成石墨晶格结构。通过在氧气等离子气体中用腐蚀方法研究碳纤维的结构发现,石墨微晶在整个纤维中的分布是不均匀的,碳纤维由外皮层和芯层两部分组成,外皮层和芯层之间是连续的过渡层。延直径测量,皮层约占14%,芯层约占39%。皮层的微晶尺寸较大,排列较整齐有序。由皮层到芯层,微晶尺寸减小,排列逐渐变得紊乱,结构的不均匀性越来越显著,称之为过渡区。碳纤维表面的粗糙度、微晶大小、官能团的种类和数量对碳纤维与基体的结合性能有很大的影响。增加表面粗糙度有利于碳纤维与基体树脂的机械嵌合,增强锚锭效应;石墨微晶越大,处于碳纤维表面棱角和边缘位置的不饱和碳原子数目越少,表面活性越低,相反,微晶越小,活性碳原子的数目就越多,越有利于纤维与树脂的粘合;碳纤维表面的官能团如- OH、-NH2等能与基体
关于芳纶纤维改性和芳纶纤维增强复合材料用树脂 基体的研究 摘要:芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天、国防、汽车等行业，由于芳纶纤维具有高结晶度、表面化学活性基团少等缺点，使复合材料出现层间剪切强度、横向拉伸强度等性能较低等缺点，限制了复合材料性能的发挥及其应用领域的推广。芳纶纤维复合材料研究，集中在对芳纶纤维表面进行物理的、化学方面的改性处理以及合适树脂基体的选择。本文对这两个方面进行了总结，并提出了相关展望。 关键词:芳纶纤维复合材料改性树脂基体 1前言 1.1芳纶的定义 芳纶是一种高科技纤维,它的全称为“芳香族聚酰胺纤维”,它具有优良的力学性能,理想的机械性质和稳定的化学性质理想的机械性质。由芳香环和酰胺键构成了聚合物大分子的主链,且其中至少86%的酰胺基直接键合在芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子,我国将其定名为芳纶。它包括全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维2大类,全芳族聚酰胺纤维主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维;杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳论,如有序结构的杂环聚酯胺纤维等。由于聚对苯二甲酰对苯二胺（对位芳纶，其产品有Kevlar，Twaron，国产芳纶II）是中国市场上应用最广的芳纶，本文中芳纶均指对位芳纶。 1.2芳纶纤维的应用 纤维增强树脂基复合材料因有比强度高、比模量大、比重小等特点,而得到广泛应用。先进复合材料的增强材料有碳纤维、硼纤维、超高分子量聚乙烯纤维和芳纶纤维。芳纶纤维具有模量高、强度大以及耐热性和化学稳定性等特点,与金属和碳纤维相比,具有更低的介电常数[1],芳纶纤维与各种树脂制成高性能复合材料广泛应用于航天航空、电子信息等领域,
绵阳职业技术学院 材料系 先进复合材料成型工艺 芳纶纤维增强的先进复合材料制品
目录 1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用 (1) 1.1 概况 (1) 1.2 芳纶品种及性能 (1) 1.3 芳纶纤维产品形态及复合材料的成型方法 (3) 1.4 芳纶纤维复合材料的应用 (3) 2 原材料 (5) 2.1 聚氨酯树脂 (5) 2.2 芳纶纤维 (7) 3 制作工艺 (8) 3.1成形方法的选择 (8) 3.2 芳纶1313 (10) 4 修补及性能检测 (10) 4.1 缺陷 (10) 4.2 芳纶表面改性 (10) 5 参考文献 (13)
先进复合材料成型工艺 芳纶纤维增强的先进复合材料制品 1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用 1.1 概况 目前,先进复合材料的增强材料主要是S高强玻璃纤维非碳纤维和芳纶纤维。前两者介绍文章较多,本文主要针对芳纶复合材料及应用情况作概括介绍。 芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称。它是一种强度高、模量高、低密度、耐折、耐磨性好的人工合成的有机纤维。据了解,现在美国、荷兰、日本、德国、法国和俄罗斯等国都在开发芳纶纤维。我国也进行了这方面研制并取得了一定成绩。 美国杜邦公司开发的芳纷纤维,商品名“凯芙拉”(K velar)有多种规格出售,年产量已达2t。荷兰阿克苏(AKZO)公司研制的芳纶纤维,商品名“特瓦纶”(Twaron),年产量在5000t以上。日本帝人公司开发的共聚芳纶纤维,商品名“太库诺拉”,年产量为500t以上。德国赫斯特公司(HOECHST)生产芳纶纤维年产量为150t。我国1981年研制成功芳纶I,1985年研制成功芳纶Ⅱ,1994年北京燕山石化公司研究院研制成功溶致液晶全芳香族聚酰胺(PPTA),通过专家鉴定,为今后中石、工业化生产开辟了途径。 在世界范围内,芳纶纤维正以年增长率20%左右的速度发展,并从单一军用向民用转移。芳纶纤维用于汽车及防护用品方面占68%,用于造船业达21%,其余为航空、航天及军用。 1.2 芳纶品种及性能 芳纶纤维,因选择原料的不同及合成工艺不同,又可分为间位芳香族聚酰胺纤维,商品名为“欧梅克斯”(Nomex)对位芳香族聚酰胺纤维,商品名“凯芙拉”（Kevlar)和芳香族聚酰胺共聚纤维,商品名“太库诺拉”等。表1将具有代表性的“凯芙拉”纤维和我国研制的芳纶I、芳纶Ⅱ主要性能列出,同时与S高强玻璃纤维及碳纤维进行比较。 从表1中可以发现芳纶纤维密度最小,拉伸强度与S2玻璃纤维和碳纤维接近,拉伸模量居中。此外,芳纶纤维的热稳定性好,可在180℃下长期使用,短期可耐300℃,对强度无大的影响。在-170℃下也不会变脆,仍保持其性能。芳纶纤维的力学性能在有机纤维中是非常突出的，与无机纤维比也不逊色，芳纶纤维除强酸、强碱外,几乎不受有机溶剂、油类影响。但芳纶纤维对紫外线敏感, 若长期暴露在阳光下，其强度会有很大的损失，因此,在使用中应加保护层。 1
碳纤维增强复合材料概述 摘要：本文对碳纤维增强复合材料进行了介绍，详细介绍了其优点和应用。并对碳纤维复合材料存在的问题提出建议。 关键字：碳纤维，复合材料，应用 Abstract: In this paper, the carbon fiber reinforced composite materials are introduced, its advantages and application was introduced in detail. And puts forward Suggestions on the problems existing in the carbon fiber composite materials. Key words: carbon fiber, composite materials, applications 1.碳纤维增强复合材料介绍 复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。通常将组成复合材料的材料或原材料称之为组分材料（constituent materials），它们可以是金属陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维，按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维，而目前用得最多的和最重要的是碳纤维[1]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径范围在6～8 μm 内，是近几十年发展起来的一种新型材料。目前用在复合材料中的碳纤维主要有两大类：聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，分别用聚丙烯腈原丝（称之为前驱体）、沥青原丝通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得。通过碳化工艺，使纤维中的氢、
工 程 塑 料 应 用 ENGINEERING PLASTICS APPLICATION 第46卷，第8期2018年8月 V ol.46，No.8Aug. 2018 149 doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2018.08.027 芳纶纤维表面改性及其增强树脂基 复合材料制备的研究进展 张雄斌，贺辛亥，程稼稷 (西安工程大学材料工程学院，西安 710048) 摘要：综述了近年来芳纶纤维的表面改性方法，包括表面活化法、共聚改性法、络合改性法等化学改性方法及涂层法、高能射线法、等离子体改性法等物理改性方法，指出了各种改性方法存在的不足；介绍了芳纶纤维增强树脂基复合材料的制备方法，包括拉挤成型、模压成型、树脂传递模塑(RTM)成型、湿法缠绕成型等，对比分析了各种制备方法的优缺点；对其未来的研究方向和发展趋势进行了展望。 关键词：芳纶纤维；表面改性；树脂基复合材料；制备方法；发展趋势 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3539(2018)08-0149-05 Research Progress on Surface Modification of Aramid Fibers and Preparation of Their Reinforced Resin Matrix Composites Zhang Xiongbin ， He Xinhai ， Cheng Jiaji (School of Materials Science & Engineering ， Xi ’an Polytechnic University ， Xi ’an 710048， China) Abstract ：The modification methods of aramid fibers were reviewed. These modification methods include chemical modifica-tion methods and physical modification methods. Chemical modification methods include surface activation method ，copolymeriza-tion modification ，complexing modification ，etc. Physical modification methods include coating method ，high energy ray method ，plasma modification and so on. The shortcomings of various modification methods were pointed out. The preparing techniques of ar-amid fibers reinforced resin matrix composites were introduced. These preparation methods include pultrusion ，mold forming ，resin transfer molding (RTM) and wet winding ，etc. The advantages and disadvantages of various preparation methods were compared and analyzed. Their future research direction and development trend were proposed. Keywords ：aramid fiber ；surface modification ；resin matrix composite ；preparation method ；development trend 芳纶纤维是一种高性能纤维，具有相对密度小、高模量、耐剪切等优异性能，被广泛应用于航空航天、军事、机械等领域[1–2]，但因芳纶纤维内部具有的高结晶度、高取向度等特殊结构，需对芳纶纤维进行表面改性，以增加纤维表面的粗糙度和引入有化学反应活性的官能团，提升与基体之间的反应活性，增强与基体之间的粘结性能[3]。为改善界面结合性能，对芳纶纤维进行表面改性，同时借助优异的制备方法获取高性能芳纶纤维增强树脂基复合材料一直是该领域研究的热点[4]。笔者综述了芳纶纤维表面改性及其树脂基复合材料的制备方法，展望了芳纶纤维增强树脂基复合材料未 来研究的重点方向和发展趋势。1 芳纶纤维表面改性 芳纶纤维因其光滑的表面，惰性的化学结构导致其与基体材料之间的粘结性能较差，制约了其广泛应用[5]。根据芳纶纤维表面改性方法的不同，主要分为化学改性和物理改性两种。1．1 化学改性 化学改性是指借助化学反应在纤维的表面引入一定量的活性反应基团，从而提升纤维与基体之间的粘附作用[6]。根据改性机理的不同，对芳纶纤维表面进行化学改性的方法 基金项目：中国纺织工业联合会指导性项目(2015116，2016052)，陕西省工业科技攻关项目(2016GY-014)通讯作者：贺辛亥，博士，教授，主要从事复合材料设计及成型研究 E-mail ：he_xinhai@https://www.doczj.com/doc/5211900824.html, 收稿日期：2018-06-10 引用格式：张雄斌，贺辛亥，程稼稷.芳纶纤维表面改性及其增强树脂基复合材料制备的研究进展[J].工程塑料应用，2018，46(8)：149–153. Zhang Xiongbin ，He Xinhai ，Cheng Jiaji. Research progress on surface modification of aramid fibers and preparation of their reinforced resin matrix composites[J]. Engineering Plastics Application ，2018， 46(8)：149–153.
芳纶 芳纶(芳族聚酰胺纤维)可能是最知名的特种纤维，由尼龙而来，且与尼龙极其类似。芳纶中含5％直接与两个芳香环相连的酰胺键。著名的品牌，包括杜邦的Nomex和Kevl~，以及日本帝人公司与Kevl~非常相似的Twaron纤维。Kevl~的强度和模量比传统的高强尼龙纤维，分别高2倍和9倍。 Kevlar能够应用于如下领域：防弹材料、复合材料支撑物，振动延续阻滞物、轮胎增强材料，高应力作业下的机械橡胶布、高强低延伸的绳索。Nomex与Kevlar在化学组成上不同，它用异酞酰胺取代对酞酰胺，从而获得有优异耐热性的纤维，在高温条件下有优异的性能。 随着芳纶在安全和强力市场领域应用的深入，市场应用将会缓慢增加，但其量不会显著扩大，问题在于产量／价格／利润之间的相互关系。从Spandex大量上市导致价格下降的经验来看，如果纤维价格下跌20％-50％，纤维的产量将会急剧增加芳纶纤维全称为"聚对苯二甲酰对苯二胺"，英文为Aramid fiber，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。 芳纶的发明:20世纪60年代由美国杜邦（DuPont）公司成功地开发并率先产业化; 芳纶的发展: 在30多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏诺贝尔（Akzo Nobel）公司（已与帝人合并）的Twaron 纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。间位芳酰胺纤维的品种有Nomex、Conex、Fenelon纤维等。美国杜邦生产的Kevlar纤维，目前就有Kevlar一49、Kevlar－29等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。杜邦公司在去年宣布将扩大Kevlar纤维的生产能力，该扩建项目预计在今年年底完工。帝人、赫斯特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱，纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个朝阳产业的生力军 芳纶纤维在高性能纤维世界中有独特地位。它是强度很高的纤维——以相同重量为基础，是钢材强度的5倍；其另一种卓越性能是极高的比张力模量（抗拉伸）——其韧度是最常用的增强纤维E-玻璃纤维的三倍。 它具有固有的不可燃性，连续使用温度范围极宽，由﹣320。F（﹣196。C）到400。F（204℃）。可耐受超过1000°F（538℃）的材料作有限度接触。 芳纶KEVLAR是杜邦公司独一无二的aramid纤维系列的注册商标，有四种类型的产品出售——芳纶KEVLAR 29、KEVLAR129、KEVLAR 49、KEVLAR 149。 芳纶是用于增强子午线轮胎及其机械用橡胶制品，如软管、输送带及动力传送皮带而专门设计制造的品种。芳纶的工业专门用途，例如绳索、缆绳、防弹织物、涂层织物、
芳纶纤维表面改性研究进展 摘要：分析了芳纶纤维目前存在的问题，综述了芳纶的各种改性技术进展，包括表面涂层、化学改性、物理改性等，并展望了芳纶纤维改性技术的发展前景。关键词：芳纶纤维；表面改性；表面涂层；化学改性；物理改性Progress in surface modification of Aramid fibers Abstract：The present problems of aramid fibers were analyzed，and the progress in the modification of aramid fibers was reviewed。The methods of modification include coating，chemical-modification，physical-modification，and so on。 The trends of development in the modification of aramid fibers were pointed out。 Key words：Aramid fibers；surface modification；coating；chemical-modification；physical-modification 芳纶是目前世界上发展最快的一种高性能化学纤维，它是由美国杜邦公司最先开始研制的。其聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，且其中至少85%的酰胺键直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连，并且置换其中一个氢原子的聚合物称为芳香聚酰胺树脂，由它纺成的纤维总称为芳香聚酰胺纤维，我国定名为芳纶[1]。自20世纪70 年代初，芳纶在美国核潜艇“三叉戟”C4潜地导弹的固体发动机壳体上应用以来，芳纶现在已经被广泛应用在很多行业。据统计，用于防弹衣、头盔等约占7%~8%；航空航天材料和体育材料约占40%；轮胎和胶带骨架等约占20%；高强绳索等约占13%[2]。从间位芳香族聚酰胺的结晶结构分析测试可知，从酰胺平面测量得亚苯基环的两面角成30°，这就使得它的结构相当稳定，并且亚苯基-酰胺之间和C-N键旋转的高能垒阻碍了间位芳香族聚酰胺分子链，成为完全伸直链的构象。它晶体里的氢键作用强烈，使其化学结构稳定，这就赋予间位芳香族聚酰胺纤维优越的耐热性、阻燃性和耐化学腐蚀性。对位芳香族聚酰胺的结晶结构为假斜方晶系，大分子链在结晶区域是完全伸长的。 NH-O 的角度是160°，这
摘要 论文介绍了芳纶纤维的种类、性能以及目前国内外芳纶表面改性的常用方法及研究进展。芳纶纤维高模量、高强度、低密度、耐氧化、耐腐蚀的性能使其在橡胶工业、信息技术产业、纺织业领域有着广泛的应用前景。由于表面的惰性限制了芳纶纤维的应用，因而其表面处理尤为重要，硝化/还原、氯磺化等化学改性和等离子体、电子束等物理改性均可改善芳纶纤维表面的物理和化学状态，提高其与基体间的粘合性能。 关键词：芳纶／环氧复合材料；等离子体：表面；浸润性
芳纶纤维表面改性研究 专业：纺织工程姓名：李鑫陵学号：0820301018 全芳香族聚酰胺泛指至少85％的酰胺键和两个芳环相连的长链合成聚酰胺，由此类聚合物制得的纤维称为芳香族聚酰胺纤维(Aramid fiber)。在我国此类纤维被称作芳纶。间位芳香族聚酰胺(PMIA)纤维称为芳纶1313；对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维称为芳纶1414。其中“1313、1414”代表酰胺基团与苯环相连接的位置。国外有关芳纶1313的商品主要有：美国杜邦的Nomex@、日本帝人的Conex@等；有关芳纶1414的商品主要有：美国杜邦的kevlar@、荷兰的Twaron@、日本帝人的Technora@等。 芳纶纤维是由美国杜邦公司最先研制的一种由刚性分子链形成的高结晶度、高取向度材料，具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切等一系列优异性能，在橡胶工业等领域广泛用于芳纶纤维增强复合材料。复合材料的性能与基体相、增强相及两相界面结合状况均有关，良好的界面结合可使复合材料更好地发挥力学性能。芳纶具有刚性分子结构，分子对称性高，横向分子间作用力弱，分子间氢键弱，横向强度低使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂；由于具有较高的结晶度，使得纤维表面光滑、无反应活性，导致其与大多数基体之间的界面粘附性很差，因此，要改善芳纶纤维与复合材料的界面结合情况，充分发挥芳纶优异的力学性能，就要对芳纶表面进行改性处理。 1 芳纶纤维的表面改性方法 芳纶的表面改性可以通过等离子体、超声波等物理技术或硝化/还原、氯磺化等化学方法，在纤维表面引入羟基、羰基等极性或活性基团，与基体间形成反应性共价键结合，从而提高纤维与基体间的粘合强度。 1.1 共缩聚改性 通过在芳纶分子链中引入具有不同结构的第三单体，在基本保持原有优良性能的前提下，改善芳纶纤维的溶解性、耐疲劳性等性能。 Bernhard等采用取代对苯二胺和二氯对苯二酰共缩聚反应，制备不同的刚性棒状芳香族聚酰胺，其主要晶体结构与对位芳纶类似，不同的是，在热处理中不会发生结构变化，苯环取代的空间位阻和电子效应导致纤维固态结构不同。
为了解决UHMWPE纤维与基体结合粘结性差的问题，长期以来各国的学者作了许多相关的研究，也取得了一定的进展。一些常用的方法主要有等离子处理，电晕放电处理，辐照处理以及氧化法处理等等。 1 等离子处理 等离子体处理由于仅作用在材料表面有限深度内(几个分子)，对纤维的力学性能不会有太大的影响，因而受到了人们的关注。等离子体处理UHMWPE纤维表面的方法分为低温等离子体处理和等离子体引发接枝表面处理两种方法。 韩国的Sung In Moon，Jyongsik Jang 研究了氧气等离子处理后UHMWPE与乙烯基酯树脂的粘结性能的变化，他们发现处理后的纤维与未处理的纤维比较，横向拉伸强度提高，这表明复合体的界面粘结性能得到了改善，且通过SEM观察发现纤维表面产生很多微陷，这有利于纤维与树脂之间的机械互锁作用，同时他们用有限元分析的方法研究了UHMWPE与基体之间力
的传递。 Hengjun Liu等人采用氩气对UHMWPE 纤维进行等离子处理，研究结果显示处理后的纤维耐磨性和硬度都得到了提高，同时其表面的润湿性也得到了提高。之后的研究中他们又将UHMWPE在氧气等离子体在微波电子回旋共振系统中进行处理研究纤维性能的改变，他们发现纤维的硬度和耐磨性都得到了提高的同时纤维的表面产生了许多含氧的活性基团，增加了纤维与基体的润湿性和粘结性。 Zhang YC等人针对超高分子量聚乙烯纤维表面能低与基体结合性能差的缺点，采用了在常压下对纤维进行等离子处理改性的方法，实验中采用的纤维是表面包裹有纳米二氧化硅的UHMWPE纤维，等离子处理所用的载气为氩气和氧气的混合气体(100:1)，处理后纤维的表面能明显提高与基体的润湿角减小，通过红外光谱分析后发现在纤维表面产生了很多的含氧活性基团，大大提高了其与树脂的结合性能。
热固性复合材料与热塑性复合材料 1热固性树脂基复合材料 热固性树脂基复合材料是应用十分广泛的复合型材料，这种材料是经过复合而成，在多高科技产品中都得到了广泛的应用与研究，例如在大型客运机的应用中，其不仅减轻了重量，并且还优化了飞机的性能，减轻了飞机在飞行过程中的阻碍，热固性树脂具有非常优异的开发潜能，其应用领域也会在其改性后得到更大的发展。 典型的热固性树脂复合材料分为以下几种： （1）酚醛树脂复合材料:随着对阻燃材料的强烈需求，美国西化学公司，道化学公司等一系列大型化学公司都先后研制成功了新一代的酚醛树脂复合材料。其具有优异的阻燃、低发烟、低毒雾性能和更加优异的热机械物理性能。在制备这种具有阻燃效果的材料上，研究人员重新设计思路，在加入不饱和键等其他基团条件下，提高了反应速度，减少了挥发组分。使酚醛树脂复合材料在其应用领域得到大力发展。 (2)环氧树脂复合材料:由于环氧树脂本身的弱点，研究人员对其进行了两面的改性研究，一面是改善湿热性能提高其使用温度;另一面则是提高韧性，进而提高复合材料的损伤容限。含有环氧树脂所制备的复
合材料己经大力应用到机翼、机身等大型主承力构件上。 (3)双马来酞亚胺树脂复合材料:在双马来酞亚胺树脂复合材料中，由于双马来酞亚胺树脂具有流动性和可模塑性，良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、吸湿率低和热膨胀系数小等优异性能，所以这种树脂则会广泛运用在绝缘材料、航空航天结构材料、耐磨材料等各个领域中。(4)聚酰亚胺复合材料:聚酰亚胺复合材料具有高比强度，比模量以及优异的热氧化稳定性。其在航空发动机上得到了广泛应用，主要可明显减轻发动机重量，提高发动机推重比。所以在航天航空领域得到了大力的发展和运用。 2热塑性树脂基复合材料 热塑性树脂基复合材料:其自身中的基体是热塑性树脂，该类复合材料是由热塑性树脂基体、增强相以及一些助剂组成。在热塑性复合材料中最典型和最常见的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯树脂、聚碳酸树脂、聚甲醛树脂、聚醚酮类、热塑性聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚飒等。 而热塑性树脂复合材料具有很多的特点，以下概述了一些热塑性树脂复合材料的特点。
芳纶纤维材料及其应用 摘要：本文对芳纶纤维的发展概况，结构性能以及主要应用领域作简单介绍。最后分析一下芳纶纤维的发展前景。 关键词：芳纶纤维材料；芳纶1313；芳纶1414；结构性能；应用；发展前景 Aramid fiber material and its application Abstract：In this paper, the general development of aramid fiber, structure, performance and main application field are introduced.Finally, analysis of the development of the aramid fiber Key words:Aramid fiber material;Aramid 1313; Aramid 1414;Structure performance; Application; Future development 1 芳纶纤维概况 芳纶纤维即芳香族聚酞胺纤维，是以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的合成纤维。芳香族聚酰胺纤维首先是由美国杜邦公司于1965年引入市场的。这种间位取向的芳香族聚酰胺纤维称作Nomex。上世纪70年代早期，杜邦公司开发了第二种产品即对位芳香族聚酰胺纤维Kevlar，并且此后一直占据芳纶的首要地位，直到1986年荷兰Akzo公司的Twaron、1987年日本帝人公司的Technora及俄罗斯的ARMOC纤维的出现，才使Kevlar独占体系崩溃。[1] 芳纶纤维工业化的产品有两种：芳纶1313（全称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维）和芳纶1414（全称为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维）。芳纶纤维具有良好的抗冲击和耐疲劳性能，有良好的介电性和化学稳定性，耐有机溶剂、燃料、有机酸及稀浓度的强酸、强碱，耐屈折性和加工性能好。它可用普通织机编织成织物，编织后其强度不低于原纤维强度的90%[2]。 2 芳纶1313 2.1发展情况 芳纶1313最早由美国杜邦公司研制成功并实现工业化生产，产品注册为Nomex（诺美克斯）。1967年正式工业化生产。是一种耐高温纤维，由聚间苯二甲酰间苯二胺构成，是目前所有耐高温纤维中产量最大，应用最广的一个品种。日本Teijin公司于1974年也成功实现商业化，商品名为Conex ，其主要侧重纤维的开发，除常规纤维品种外，还有染色纤维、高度阻燃稳定纤维Conex FR和耐候性极好的Conex L。另外，还有日本Unitika公司的
摘要：热塑性复合材料因具有韧性、耐蚀性和抗疲劳性高，成形工艺简单、周期短，材料利用率高，预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展，并逐渐进入航空制造领域。尤其是近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等航空制造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些部件上成为热固性复合材料的有力竞争对手。热塑性复合材料如果想继续扩大在民机上的应用，必须进入机体主承力构件，然而，热塑性应用于主承力构件还三个挑战，即原材料成本高，铺放工艺缓慢，以及预浸料粘性问题。 关键词：热塑性复合材料碳纤维机体内饰主承力结构 热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳烃纤维及其它材料增强各种热塑性树脂所形成的复合材料，因具有韧性、耐蚀性和抗疲劳性高，成形工艺简单、周期短，材料利用率高，预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展，并逐渐进入航空制造领域。尤其是近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等航空制造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些部件上成为热固性复合材料的有力竞争对手。 1 热塑性复合材料的民机应用潜质 以聚苯硫醚（PPS）,聚醚酰亚胺（PEI）,聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）为基体的先进增强热塑性复合材料（TPC），具备高刚度、低加工成本和重新加工能力，拥有良好的阻燃、低烟和无毒（FST）性能，固化周期可以以分钟记，且其成形过程是天生的非热压罐工艺。这些固有属性使其成为轻质、低成本航空结构的理想材料。为西科斯基公司直升机提供大型热塑性复合材料地板的纤维锻造公司提供了如下一组数据：热塑性复合材料比钢轻60%，硬度是其6倍；比铝轻30%；比热固性复合材料强韧2倍；比注射模塑塑料硬5倍；在生产中比板材少60%碎屑。 上述性能特点和数据对比表明，热塑性复合材料是一种天生的航空结构材料，并且在民机应用上拥有巨大的潜质，甚至可能在未来为航空复合材料制造带来一场热塑性革命。 2 热塑性复合材料在民机上的典型应用 目前，热塑性复合材料（TPC）在民机上的应用主要体现在机体结构件和内饰件上，这其中，碳纤维增强PPS的TPC占大多数。 2.1 机体结构件 机体结构件中，TPC主要应用在地板、前缘、控制面和尾翼零件上，这些零件都是外形比较简单的次承力构件。空客A380客机、空客A350客机、湾流G650公务机和阿古斯塔·韦斯特兰AW169直升机都是热塑性机体结构件的应用大户。 空客A380客机上最重要的热塑性复合材料结构件是玻璃纤维/PPS材料的机翼固定前缘。每个机翼有8个固定前缘构件，其中热塑性材料占到了整个用料的三分之二。在固定前缘蒙皮的纤维铺放中，制造商福克航空结构公司选择了先进的超声点焊作为铺放设备的加热系统。
郑州华信学院毕业论文 课题名称：复合材料研究及其应用 系部：机电工程学院 班级：09机电班 姓名： 指导老师： 时间：2012年3月28日
复合材料研究及其应用 摘要 复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料。功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料、可以具有多种功能。同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。 一、全球复合材料发展概况 复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。 随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继
问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。 从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车