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CN112048904A - 一种芳纶纤维复合芯的制备方法 - Google Patents

一种芳纶纤维复合芯的制备方法 Download PDF

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CN112048904A CN202010722849.5A CN202010722849A CN112048904A CN 112048904 A CN112048904 A CN 112048904A CN 202010722849 A CN202010722849 A CN 202010722849A CN 112048904 A CN112048904 A CN 112048904A
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aramid fiber
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aramid
temperature plasma
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徐前
刘胜春
陈海龙
余木火
曹元智
王景朝
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Shanghai University of Engineering Science
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Fujian Jianchuangjia Technology Co ltd
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Shanghai University of Engineering Science
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Abstract

本发明属于芳纶复合芯制备技术领域，尤其涉及一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，该方法是在芳纶纤维在进入拉挤设备浸胶槽时，通过低温等离子体方法对纤维表面进行处理，再浸入浸胶槽进行浸胶，浸胶后，纤维束通过加热模具，由牵引机拉出成型。此方法可以解决芳纶表面的浸润性，提高芳纶拉挤过程中与树脂的界面结合性能，提高复合芯的力学性能和耐弯折性能。

Description

一种芳纶纤维复合芯的制备方法
技术领域
本发明属于芳纶复合芯制备技术领域，涉及一种芳纶纤维中通过拉挤成型制备成高性能芳纶复合芯的方法。
背景技术
芳纶纤维是一种有机纤维，是继碳纤维之后的第二代高性能复合材料增强体。其自身具备多种优异的性能：纵向拉伸强度和模量较高、密度低、耐热性能和抗化学介质腐烛性强，除此之外，芳纶纤维还具有相比金属和碳纤维更加优异的介电性能，因此，芳纶纤维也有“全能纤维”之称。最初其主要目的是用来制备防弹制品，随着对其性能的不断完善，逐渐与聚合物树脂、陶瓷和金属复合在一起形成了如今在各个领域广泛使用的新一代高性能复合材料。至今，在空天领域、汽车轮胎、防弹衣、防弹装甲车、电子电器以及高端体育制品等领域已经慢慢取代了多种传统的材料，成为了一种不可或缺的结构性材。由于各领域对材料性能的要求越来越荀刻，芳纶增强高性能复合材料将在社会进步和科技发展中发挥更为重要的作用。
在实际应用中，由于其自身的一些缺陷，大大限制了其使用的领域及其在高性能复合材料市场所占的比例。例如，其分子结构刚度大、排列紧密、几乎完全以结晶的形式存在、分子表面活性官能团少、反应活性低等，这些不足之处使得纤维在与基体复合时存在浸润难和界面结合性差的问题，大大限制了其可选用的复合基体的类型。
用等离子体处理芳纶纤维并用拉挤成型工艺制备芳纶复合芯具有可工程应用、简单、可重复操作、效果好，制备的芳纶复合芯力学性能好、耐老化性能好等优点，在架空导线承重芯方面存在较大的应用价值。
如，专利文献1(名称为“大气常压低温等离子体连续丝束纤维处理设备及处理方法”)公开了一种低温等离子体处理设备，未涉及到具体使用什么样的工艺条件和哪些等离子体。专利文献2(名称为“一种用等离子体修饰的碳纳米纤维吸附剂的制备工艺”)公开了将氮气放入密闭容器反应6小时处理碳纳米纤维，此方法反应时间长，适用气体范围小，工程应用性较差。专利文献3(名称为“一种碳纤维复合芯的生产方法”)采用拉挤成型制备出碳纤维复合芯，但由于碳纤维本身脆性较大，实际应用时容易断裂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：CN201610765813.9
专利文献2：CN201711033068.X
专利文献3：CN201810534458.3
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的是解决芳纶表面的浸润性，提高芳纶拉挤过程中与树脂的界面结合性能，提高复合芯的力学性能和耐弯折性能。
用于解决技术问题的方法
针对上述问题，本发明提出了一种芳纶纤维复合芯的制备方法。
根据本发明的一个实施方案，提供一种芳纶纤维复合芯的制备方法，该方法是在芳纶纤维在进入拉挤设备浸胶槽前，通过低温等离子体方法对纤维表面进行处理，处理后浸入浸胶槽进行浸胶，浸胶后，纤维束通过加热模具，由牵引机拉出成型。
一种实施方式为，其中，所述低温等离子体为空气/氧气(O2)、氮气(N2)、氨气(NH3)、水蒸气(H2O)、氩气(Ar)。
一种实施方式为，其中，所述芳纶纤维为Kevlar29、Kevlar49、Kevlar129、Nomex纤维、Twaron纤维、Technora纤维、Terlon纤维或者国产芳III纤维。
一种实施方式为，其中，所述低温等离子体方法采用的放电功率大小为70～300W。
一种实施方式为，其中，所述低温等离子体方法的处理时间为5s～20min。
一种实施方式为，其中，所述浸胶槽中使用的胶为热固性树脂。
一种实施方式为，其中，树脂胶槽的宽度为10～30cm,长度为30～80cm。
一种实施方式为，其中，加热模具长度为80～120cm；加热模具直径为2.5mm、6.5mm等。
一种实施方式为，其中，加热模具温度分为三段，根据树脂性能调试，温度为T中＝(T前+10℃)；前＝T后。
一种实施方式为，其中，牵引机牵引复合芯的速度在100～150mm/min。
根据本发明的第二方面，提供一种根据上述方法制备的芳纶纤维复合芯。
本发明的有益效果
本发明用低温等离子体中高能粒子轰击纤维表面形成活性自由基，与气流中的含氧粒子反应，在纤维表面引入含氧官能团；另一方面，随着处理时间的增加，纤维表面的一些化学键断裂，生成挥发性小分子并脱离纤维表面，从而使得纤维粗糙度增加。等离子体处理在引入活性基团的同时又不破坏纤维本体结构，且操作简单。有利于纤维强度与模量的提高。该方法具有经济环保、反应可控、反应时间短，存在较大工业应用价值。
从以下示例性实施方案的描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。
具体实施方式
以下对本公开的一个实施方式具体地说明，但本公开并非限定于此。
本发明将芳纶纤维表面改性并将其采用拉挤成型工艺制备出芳纶复合芯，该方法是在芳纶纤维在进入拉挤设备浸胶槽时，通过一定放电功率的低温等离子体方法对纤维表面进行一定时间处理，再浸入浸胶槽进行浸胶，此方法可以解决芳纶表面的浸润性，提高芳纶拉挤过程中与树脂的界面结合性能，提高复合芯的力学性能和耐弯折性能。
所述低温等离子体为空气/氧气(O2)、氮气(N2)、氨气(NH3)、水蒸气(H2O)、氩气(Ar)；所述芳纶纤维为Kevlar29、Kevlar49、Kevlar129、Nomex纤维、Twaron纤维、Technora纤维、Terlon纤维或者国产芳III纤维；所述的一定放电功率是指功率大小在70～300W，根据所用等离子体以及工况的不同，选用不同的放电功率；所述一定时间为5s～20min，根据所用不同的等离子体，选用不同的处理时间；树脂胶为环氧树脂等适宜拉挤成型的热固性树脂；树脂胶槽的宽度为20～30cm,长度为30～80cm，根据所用芳纶丝束大小，选用不同的浸胶槽尺寸；加热模具长度为80～120cm，根据所用树脂性能，选用不同的加热模具长度；加热模具直径为2.5mm、6.5mm等，根据所用芳纶丝束大小，选用不同的模具尺寸；加热模具温度分为三段，根据树脂性能调试，温度为T中＝(T前+10℃)；前＝T后；牵引机牵引复合芯的速度在100～150mm/min。根据树脂固化时间和加热模具的不同，选用不同的牵引速度。
实施例1
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长80cm，宽20cm)、加热模具(长100cm,模口直径6.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度120mm/min。
(4)用O2等离子体处理芳纶，电功率为200W，处理时间为7min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加35％，模量增加26％；抗弯强度提高24％。
实施例2
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长100cm，宽30cm)、加热模具(长100cm,模口直径6.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度140mm/min。
(4)用空气等离子体处理芳纶，电功率为50W，处理时间为15min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加24％，模量增加23％；抗弯强度提高36％。
实施例3
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长80cm，宽20cm)、加热模具(长80cm,模口直径2.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度150mm/min。
(4)用空气等离子体处理芳纶，电功率为300W，处理时间为12s。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加24％，模量增加19％；抗弯强度提高25％。
实施例4
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长80cm，宽20cm)、加热模具(长80cm,模口直径2.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度120mm/min。
(4)用NH3等离子体处理芳纶，电功率为100W，处理时间为15min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加38％，模量增加36％；抗弯强度提高24％。
实施例5
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长80cm，宽20cm)、加热模具(长100cm,模口直径2.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度150mm/min。
(4)用Ar等离子体处理芳纶，电功率为80W，处理时间为12min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加14％，模量增加19％；抗弯强度提高15％。
实施例6
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长100cm，宽30cm)、加热模具(长100cm,模口直径6.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度130mm/min。
(4)用Ar等离子体处理芳纶，电功率为100W，处理时间为15min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加29％，模量增加28％；抗弯强度提高40％。
实施例7
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长100cm，宽30cm)、加热模具(长100cm,模口直径6.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度110mm/min。
(4)用空气/氧气等离子体处理芳纶，电功率为300W，处理时间为15min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加39％，模量增加38％；抗弯强度提高38％。
实施例8
一种芳纶纤维用低温等离子体处理，并通过拉挤成型制备出高性能的芳纶复合芯，包括以下步骤：
(1)芳纶纤维(芳纶Ⅱ)分别穿过低温等离子体装置、树脂胶槽(长80cm，宽30cm)、加热模具(长80cm,模口直径6.5mm)、履带式牵引机。
(2)打开低温等离子体装置预调试，并预热模具。
(3)打开履带式牵引机，设置牵引速度100mm/min。
(4)用空气/氧气等离子体处理芳纶，电功率为200W，处理时间为18min。
(5)通过等离子体处理后，芳纶复合芯的强度及模量均比改性前制备的复合芯增加，拉伸强度增加21％，模量增加32％；抗弯强度提高28％。
工业实用性
该方法具有经济环保、反应可控、反应时间短，存在较大工业应用价值。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种芳纶纤维复合芯的制备方法，该方法特征在于，在芳纶纤维在进入拉挤设备浸胶槽前，通过低温等离子体方法对纤维表面进行处理，处理后浸入浸胶槽进行浸胶，浸胶后，纤维束通过加热模具，由牵引机拉出成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低温等离子体为空气/氧气(O2)、氮气(N2)、氨气(NH3)、水蒸气(H2O)、氩气(Ar)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芳纶纤维为Kevlar29、Kevlar49、Kevlar129、Nomex纤维、Twaron纤维、Technora纤维、Terlon纤维或者国产芳III纤维。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低温等离子体方法采用的放电功率大小为70～300W。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低温等离子体方法的处理时间为5s～20min。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浸胶槽中使用的胶为热固性树脂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，树脂胶槽的宽度为10～30cm,长度为30～80cm；加热模具长度为80～120cm；加热模具直径为2.5mm、6.5mm等。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，加热模具温度分为三段，根据树脂性能调试，温度为T中＝(T前+10℃)；前＝T后。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，牵引机牵引复合芯的速度在100～150mm/min。
10.一种芳纶纤维复合芯，其根据权利要求1-9所述的方法制得。
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