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基于表面接枝Ce_(0.8)Ca_(0.2)O_(1.8)及其杂化体的高表面活性耐紫外辐射芳纶纤维的研究

朱小玲  
【摘要】:芳纶纤维是具有耐高温、低密度、高强度等优异性能的有机合成纤维。然而,其主链含大量酰胺键,易受紫外线辐照发生降解,导致性能劣化,服役期缩短,极大程度地限制了芳纶纤维在户外领域的应用。此外,纤维表面缺少活性基团、自由能低,导致其增强复合材料的性能无法最大程度地发挥,是芳纶纤维应用面临的巨大瓶颈。此外,阻燃性能已经成为高性能有机纤维应具备的性能特征,而这方面的研究鲜见报道。本文旨在保持芳纶纤维原有优异热学和力学性能的基础上,建立克服芳纶纤维存在的三大性能缺点的新方法,获得兼具耐紫外性能、表面浸润性以及阻燃性的新型高性能芳纶纤维。本文的研究内容分为两大部分。首先,本文通过软化学溶液法制备了无机纳米颗粒(Ce0.8Ca0.2O1.8)。并采用化学接枝法制备了Ce0.8Ca0.2O1.8包覆的芳纶纤维(Ce0.8Ca0.2O1.8@KFs),对改性芳纶纤维的综合性能进行了详细的探究。研究结果表明,无机粒子的高强度、高模量和高耐热性能赋予芳纶纤维优异的热力学性能;改性纤维的初始分解温度(Tdi)与未改性纤维相比提高了34.0-66.8℃。此外,Ce0.8Ca0.2O1.8是一种紫外吸收效果好、光催化活性较低的紫外吸收剂,提高了芳纶纤维的耐紫外性能;经168h紫外辐照后,改性纤维的拉伸强度保持率高达88.0%-94.5%。且其表面含有大量活性基团(-OH),大大增加了芳纶纤维的表面浸润性,表面自由能是原始纤维(KF)的1.18-1.43倍。其次,采用原位合成法将Ce0.8Ca0.2O1.8和超支化聚硅氧烷(HSi)杂化体(HSi-Ce0.8Ca0.2O1.8)包覆在芳纶纤维表面,并对改性纤维的形貌、结构和性能进行探究,并深入研究了相关机理。研究结果显示,有机-无机杂化体能够有效提高纤维的拉伸性能和热稳定性,HSi-Ce0.8Ca0.2O1.8@KF1的Tdi提高了69.0℃。在无机物改性的基础上,更大程度地提升了纤维的表面浸润性,表面自由能是KF的1.49-1.54倍。HSi-Ce0.8Ca0.2O1.8与单一改性剂(Ce0.8Ca0.2O1.8,HSi)相比,具有更高的吸光度和更宽的吸收范围,使改性芳纶纤维具有更优异的耐紫外性能,单丝拉伸强度保持率较Ce0.8Ca0.2O1.8@KF进一步提高,为91.9%-97.4%。此外,在燃烧过程中,HSi-Ce0.8Ca0.2O1.8吸收大量热量,自身形成一种新的结构,Ce0.8Ca0.2O1.8和HSi对于改善芳纶纤维的阻燃性能具有协同作用;HSi-Ce0.8Ca0.2O1.8@KF1的热释放容量(HRC)和最大热释放速率(PHRR)分别为KF的55.4%和52.3%。


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