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芳纶的表面改性

(宋春艳)

1、芳纶的简介

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

换其中的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

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维，我国定名为芳纶。芳纶纤维有两大类：全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维。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(PPTA)和PBA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

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聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂环聚酰胺纤维等。其中PPTA纤维首先由美国杜邦公

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司（Dupont）开始研制，牌号为Kevlar。其结构式为：

同时，从芳纶的结构可知，它们是刚性分子，分子链段自由旋转受到阻碍。分子对称性

高，定向程度和结晶度高，因此横向分子间作用力变弱；分子结构中存在大量的芳香环，不

易移动，因而分子间的氢键很弱，横向强度低使得在压缩及剪切力作用下容易产生断裂。因

此，为了充分发挥芳纶优异的力学性能，必须对其进行改性。

2、芳纶表面改性方法

目前，针对芳纶进行的表面改性技术，主要集中在利用化学反应改善纤维表面组成和结

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构，或是借助物理作用提高纤维与基体树脂之间的浸润性。芳纶的表面处理技术大体上可

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以分为物理改性和化学改性，其分类如图1所示。其中化学改性是利用化学反应，在纤维

表面引入可反应的活性基团，从而在与基体复合时发生化学作用产生共价键，增加材料的界

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面相容性能。主要包括共聚改性、表面刻蚀、表面接枝、氟气改性和稀土处理。而物理改

性主要包括：表面涂层技术、等离子体技术、超声浸渍改性技术、γ射线改性技术和紫外线

辐射改性技术。

3、磷酸溶液处理PPTA纤维和超声波处理PPTA纤维

3.1磷酸溶液处理PPTA纤维[4]

3.11磷酸溶液处理PPTA纤维的实验过程[4]

将10gPPTA短切纤维用造纸用标准纤维疏解机疏解10000转后用蒸馏水洗涤3次，煮

沸15min，并于70℃下烘干2h,将烘干后的纤维置于烧杯中，加入1000mL丙酮，用超声清

洗15min后继续浸泡24h后，抽滤、洗涤、烘干，置于密封袋中备用。称取清洗后的PPTA

短切纤维5g(绝干)，加入500mL50%(质量分数)的磷酸溶液，于40℃的恒温水浴锅中静置

4h，处理后样品用蒸馏水冲洗、抽滤、烘干，置于密封袋中保存。

3.12磷酸溶液处理对PPTA纤维结构的影响[4]

3.121磷酸溶液对PPTA纤维相对分子质量的影响[4]

高聚物的相对分子质量是高分子材料最基本的结构参数之一，PPTA纤维的后续加工工

艺及最终产品性能与其相对分子质量大小有着极其密切的关系。PPTA纤维具有比模量高、

比强度大、耐热性好等优异性能。这些特殊的性能一方面取决于其特殊的结构，另一方面受

PPTA纤维的相对分子质量的影响。磷酸溶液处理前后PPTA纤维的粘均相对分子质量的测

定结果见图2和表1。

图2磷酸溶液处理对PPTA纤维特性黏数的影响

由图2可见，PPTA纤维的比浓对数黏度与浓度之间有着良好的线性关系，因此采用

黏度法测定PPTA纤维的相对分子质量是可靠的。由表1可知，处理前，PPTA纤维的黏均

相对分子质量为2.70万，聚合度为114，处理后黏均相对分子质量变为2.38万，相应的聚

合度变为100，下降12%，变化较大。PPTA纤维其化学全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，是

经由缩合反应而来,酰胺键在稀酸或