专利名称：一种提高芳纶纤维/环氧树脂复合材料界面性能方法聚对苯二甲酰对苯二胺(Kevlar-49)纤维是目前世界上规模化生产的综合 性能较优异的有机纤维之一，其具有高强度、高模量、较强的韧性及优异耐热 性，因而被广泛应用于航空航天以及汽车领域先进复合材料的增强材料，是所 有芳纶纤维应用的典范。但是Kevlar-49纤维中酰胺基团被芳环分离且与苯环 形成7U共轭效应，内旋位能相当高，分子链节呈平面刚性伸直状，即对位 Kevlar-49纤维的主链结构具有高度的规则性，大分子是以十分伸展的状态存 在，从而形成一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构，纤维呈独特的"芯皮" 结构。表面极性不高，使得其溶解性、耐疲劳性不够好，耐光性较差，剪切性 能差及纤维容易微纤化而劈裂。Kevlar-49纤维的化学惰性和光滑表面导致纤 维表面光滑且活性低，不易与树脂浸润，致使纤维与树脂基体界面结合的性能 力较差，界面剪切强度较低。较差的界面粘结不能很好地进行力的传递从而影 响复合材料综合性能的发挥，进而制约了 Kevlar-49纤维在先进复合材料领域 中的应用。对纤维表面进行处理后，使其能与树脂基体形成较好的界面层，从 而最大限度地发挥Kevlar-49纤维增强复合材料的综合性能。目前对Kevlar-49纤维进行表面改性以提高其与树脂基体复合性能的技术 研究主要集中在以下两点 一是通过化学接枝、表面涂层等化学方法引入活性 基团的方式；二是通过用冷等离子体、Y射线或超声波等对表面进行的物理作 用以提高Kevlar-49纤维与树脂的浸润性。化学方法处理纤维表面效果显著， 一般来说对纤维的本体强度损伤相对较大，同时因不容易大批量处理纤维使其 方法很难实现工业化应用；大量研究表明，用冷等离子体对纤维进行表面处理 或处理后又引入化学基团进行接枝的技术有助于复合性能的提高，但因连续化速度太慢而仍不适于工业化生产；而用Y射线辐照和超声波处理的方式将推进 Kevlar-49纤维在线表面处理的工业化进程。
本发明的目的是为了解决目前Kevlar-49纤维与环氧树脂界面结合弱，及对纤维表面改性的处理方法不适于工业化生产的问题，而提供了一种提高芳纶 纤维/环氧树脂复合材料界面性能方法。本发明提高芳纶纤维/环氧树脂复合材料界面性能方法为先干燥KevlaM9纤维；再将干燥过的Kevlar-49纤维同液 体介质一起密闭于玻璃反应器内；尔后在常温常压及保护气体保护的条件下， 采用⑨Co为辐照源的Y射线辐照，辐照剂量为0.1 1000kGy、辐照剂量率为 3 7kGy/h。本发明的保护气体为氮气、氦气和氩气中的一种或其中几种的混合。 辐照技术以其高效，节能和环保等特点，在改性材料表面上得到广泛应用。
，射线是一种高能量穿透能力强的电磁波。，射线能激起纤维表面官能团的活 性，这些活性官能团可以与基体发生物理作用或化学反应，从而增加纤维和基 体界面结合能力；可以在纤维表面接枝活性基团，这些活性基团的另一端还可 以接枝到树脂基体上，有利于树脂基体对纤维的浸润和交联；还可以对纤维表 面进行刻蚀，使纤维表面的粗糙度增加，从而增加纤维的表面积，使纤维和树 脂之间的机械咬合增强，从而增加二者之间的界面结合强度。总的来说，射线 辐照可以增加纤维表面的粗糙度，激发纤维本身基团的活性和引入活性基团， 该活性基团能与树脂基体反应，提高了树脂对纤维的浸润性，使得二者之间的 物理和化学结合强度增加，最终达到纤维和树脂基体之间的更好的结合。本发 明是以6QCo为辐照源的Y-射线在液体介质中对Kevlar-49纤维进行辐照改性， 进一步改善纤维的表面性能，从而提高纤维与环氧树脂基体的界面结合强度， 最大限度地发挥Kevlar-49纤维增强复合材料的综合性能。在Y-射线辐照下， 凡具有偶联剂功能的液体介质与Kevlar-49纤维表层官能团发生接枝反应，且 能够实现纤维与树脂基体之间的偶联反应，均可作为接枝体。辐照源6QCo具 有功率高、制备简单、使用安全的特点。本发明具有操作简便、工艺稳定、产 品质量可靠、环保，并且适于工业化生产的优点。


一本实施方式中提高芳纶纤维/环氧树脂复合材料界面性 能方法是先干燥Kevlar-49纤维；再将干燥过的Kevlar-49纤维同液体介质一 起密闭于玻璃反应器内；尔后在常温常压及保护气体保护的条件下，采用600)为辐照源的Y射线辐照，辐照剂量为0.1 1000kGy、辐照剂量率为3~7kGy/h。 本实施方式中使用液体介质时对Kevlar-49改性的研究。将事先干燥好的 纤维先置于特制玻璃容器内，接着抽真空，注入液体，最后通入氮气至常压密 封，在常温条件条件下用6QCo作为辐照源的Y射线辐照。在常温常压条件下 液体浸泡Kevlar-49密闭共辐照接枝，辐照剂量范围为0.1 1000kGy，辐照剂 量率为3 7kGy/h。干燥好的Kevlar-49纤维置于玻璃反应器中，加入可完全浸 泡纤维用量的接枝液，室温下浸泡12小时确保接枝体溶液浸透纤维，密封接 受不同剂量的辐照处理，辐照后的纤维在容器内密闭放置12小时，取出自然 晾干，接着加热干燥以去除剩余溶剂，于干燥器密封存放。接枝体选取原则是 具有偶联剂的功能，在，射线辐照下接枝体能够与纤维表层分子发生接枝反 应，进而能够实现纤维与树脂基体之间的偶联反应。把改性前后的纤维制成环 氧复合材料，纤维的单丝拉伸强度严格按照GJB 993-90芳纶纤维拉伸强度拉 伸性能试验方法一不浸胶法进行测定，其胶含量控制在38% (此时复合材料的 综合性能最佳)，对比不同偶联剂辐照处理后纤维环氧复合材料层间剪切强度 (简称为ILSS)测定结果如下未处理的Kevlar-49环氧复合材料的ILSS值 约是41~43 MPa，而与硅烷偶联剂乙醇溶液500 kGy共辐照处理后Kevlar-49 纤维复合材料的层间剪切强度都有了不同程度的提高。以2% KH-560的乙醇 溶液、2% JHN-313的乙醇溶液和2% KH-151的乙醇溶液与Kevlar-49共辐照 接枝为例经过2% KH-560的乙醇溶液与Kevlar-49共辐照处理后的纤维的环 氧复合材料的层间剪切强度是54 57MPa，较未处理的纤维提高了 31 35%; 而经过2% JH-N313的乙醇溶液与Kevlar-49共辐照接枝处理后的纤维的环氧 复合材料的层间剪切强度是50 53MPa，较未处理的纤维提高了 20 25%;经 过2% KH-151的乙醇溶液与Kevlar-49共辐照接枝处理后的纤维的环氧复合材 料的层间剪切强度是55 58MPa，提高幅度是35 40%。比较可观的是辐照处 理后纤维的单丝拉伸强度却损失很小，即纤维的本体强度基本不变，原因是接 枝反应只发生在纤维的皮层上，小分子接枝体进入不了纤维的芯结构里，所以 分子链的取向结构不受影响，纤维的力学性能变化不大。同时将偶联剂溶液把 KevlaM9纤维浸渍放置24小时，同样制得纤维环氧复合材料。浸渍处理后纤 维复合材料的层间剪切强度几乎与未处理的Kevlar-49环氧复合材料的ILSS 大致相同。这说明复合材料界面的提高是纤维在偶联剂溶液中共辐照作用的结
果，并非偶联剂单一的作用而引起的。对共辐照处理前后的Kevlar-49纤维进 行XPS测试，结果表明辐照接枝后纤维表面氧元素的含量增加而氮元素的 含量降低了，说明偶联剂可能接枝到Kevlar-49纤维表面，弓l入极性基团，可 以与环氧树脂基体发生的极性相互作用，甚至可以与环氧分子发生化学键合，
从而提高复合材料的层间剪切强度。即便偶联剂没有接枝到纤维表面，至少在 纤维表面形成了效果很好的涂层，复合材料在承载时涂层使得载荷在纤维和树 脂之间能更好的传递。最终使得纤维环氧复合材料的界面结合强度的提高。
研究表明以6QCo为辐照源的，射线在液体介质中对Kevlar-49纤维进行辐 照改性，进一步改善纤维的表面性能，增加了纤维表面的粗超度，提高了纤维 表面能，从而提高纤维与环氧树脂基体的界面结合强度，最大限度地发挥 Kevlar-49纤维增强复合材料的综合性能。

二本实施方式与
一不同的是保护气体为氮 气、氦气和氩气中的一种或其中几种混合。其它与
一相同。
本实施方式中保护气体为混合气时，各种保护气体间可按任意比混合。

三本实施方式与
一不同的是保护气体为氮 气。其它与
一相同。

四本实施方式与
一不同的是液体介质为具有
偶联作用的溶液。其它与
一相同。

五本实施方式与
四不同的是具有偶联作用的 溶液为硅烷偶联剂的乙醇溶液。其它与
四相同。

六本实施方式与
五不同的是硅烷偶联剂为硅 垸偶联剂JH-N313、硅垸偶联剂JH-N318、硅垸偶联剂KH550、硅烷偶联剂 KH-560和硅垸偶联剂KH-151中的一种。其它与
五相同。

七本实施方式与
一不同的是辐照剂量为 200 800kGy。其它与
一相同。

八本实施方式与
一不同的是辐照剂量率为 4~6kGy/h。其它与
一相同。


一种提高芳纶纤维/环氧树脂复合材料界面性能方法，涉及一种高分子材料改性处理方法。它解决了目前Kevlar-49纤维与环氧树脂界面结合弱，及对纤维表面改性的处理方法不适于工业化生产的问题。本发明对Kevlar-49纤维表面改性的处理方法为先干燥Kevlar-49纤维；再将干燥过的Kevlar-49纤维同液体介质一起密闭于玻璃反应器内；尔后在常温常压及保护气体保护的条件下，采用⁶⁰Co为辐照源的γ射线辐照，辐照剂量为0.1～1000kGy、辐照剂量率为3～7kGy/h。本发明具有操作简便、工艺稳定、产品质量可靠、环保，并且适于工业化生产的优点。本发明方法提高了纤维表面能，从而提高纤维与环氧树脂基体的界面结合强度，最大限度地发挥Kevlar-49纤维增强复合材料的综合性能。