芳纶纤维表面改性及其与橡胶黏合性能的研究

发布时间：2020-09-03 15:08

　　芳纶纤维因表面缺乏活性基团而与基体之间的黏合性能很差,一般用于处理芳纶纤维表面的方法为一浴处理(环氧预处理)和二浴处理(RFL浸渍处理)。本文通过改变一浴溶液、二浴溶液的配方以及引入三浴溶液处理芳纶纤维表面,来达到提高芳纶纤维与橡胶之间黏合性能的目的。研究了古马隆树脂、聚硫橡胶、酚醛树脂PN760、氯丁橡胶(CR)等黏合助剂和白炭黑、碳纳米管(CNTs)等纳米填料对芳纶纤维与天然橡胶及氯丁橡胶之间黏合性能的影响,并研究了芳纶纤维与橡胶的黏合界面。结果表明,向一浴溶液中加入古马隆树脂、聚硫橡胶、氯化天然橡胶/丁腈橡胶等黏合助剂处理芳纶纤维后,芳纶纤维与天然橡胶之间的黏合性能显著增强。在较小的范围内改变一浴溶液中古马隆树脂的含量时,抽出力基本上没有发生变化,而在较大范围内改变一浴溶液中聚硫橡胶的含量时,抽出力随聚硫橡胶含量的增加而提高。向二浴溶液中加入气相法白炭黑后,芳纶纤维与天然橡胶之间的抽出力显著提高,并且抽出力的提高幅度随着气相法白炭黑含量的增加而增加。以酚醛树脂PN760作为三浴溶液的溶质,使用这种三浴溶液涂覆经过二浴处理后的芳纶纤维表面后,芳纶纤维与天然橡胶的抽出力显著提高,并且抽出力的提高幅度随着三浴溶液中酚醛树脂PN760含量的增加而增加。使用扫描电子显微镜(SEM)及其附带的元素分析仪(EDX)观察表面处理前后芳纶纤维的表面形态和表面元素。经过二浴处理后,芳纶纤维的集束性进一步提高,单丝之间紧密地结合在一起,并且在表面上形成沟槽。对使用含有酚醛树脂PN760的三浴溶液或含有气相法白炭黑的二浴溶液处理的芳纶纤维与天然橡胶的黏合界面上的元素分布进行分析,可以观察到黏合界面上的S、Zn元素含量升高。因此,芳纶纤维与天然橡胶之间的黏合机理可以概括为由黏合助剂或纳米填料组成的涂层液促进基体橡胶中的橡胶分子连、硫化剂、促进剂、活性剂等向黏合界面层扩散时,与纤维表面上的胶乳相发生共硫化或对黏合界面进行了补强,在纤维与基体之间形成一定的模量梯度,以物理或化学的方式将纤维与基体连接在一起。在研究芳纶纤维与氯丁橡胶之间的黏合性能时,使用氯丁胶乳代替丁吡胶乳后,芳纶纤维与氯丁橡胶的黏合性能大幅提高。以不同牌号的氯丁橡胶(CR)制备单组份三浴溶液并在二浴溶液后处理芳纶纤维表面,纤维与基体的黏合性能都有所提高,而结晶速率较低、门尼黏度低的CR2321可以更有效地提高黏合性能。以牌号为CR2321和不同的黏合助剂制备的三浴溶液处理芳纶纤维后,黏合性能有所提高,其中CR/PN760体系使黏合性能提高的幅度最大。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ342.72;TG497
【部分图文】：

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图 1-2 RFL 浸渍层的形态结构示意图Figure 1-2 Scheme of morphology of RFL dipping layer. 浸渍液是一种由间苯二酚-甲醛（RF）预缩合树脂和胶乳（L）在水形成的黏合剂，它可以在纤维与橡胶之间形成界面来传递应力。R势在于其中的间苯二酚-甲醛（RF）预缩合树脂可以与经过表面预生反应，另一方面其中的胶乳成分可以与基体橡胶发生共硫化。树脂是一种由间苯二酚与甲醛在酸性条件下制备的酚醛预缩合树脂下可快速溶解于水溶液中，并且在与胶乳相混合时不会导致胶乳发备 RF 树脂时，控制间苯二酚与甲醛的比例极其重要，体系中高浓高羟甲基形成的速率[83]。研究表明，当间苯二酚与甲醛的比例在 1合反应所形成的羟甲基更为完整，并且在后续制备的 RFL 黏合剂中醛=2:1 左右可使黏合性能最好[84,85]。FL 黏合剂中，RF 树脂与胶乳的比例是影响黏合性能的另一个因素剂中 RF 树脂的质量分数较低时，即 0%~25%，合成纤维与橡胶基性能会随着 RF 树脂含量的增加而提高。如果 RFL 黏合剂中 RF 树，则会降低 RFL 黏合剂与纤维之间的相互作用。但是，RFL 黏合剂

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可以看到纤维表面粘附的橡胶很少，仅在两股纤维的交叉处粘附有较大尺寸的橡胶；图2-6（f）为 T 抽出测试后三浴处理的芳纶纤维表面，纤维表面上粘附了大量的橡胶，并且橡胶的尺寸较大，纤维表面的沟槽几乎被天然橡胶填满。这说明使用含有酚醛树脂 PN760 的三浴溶液涂覆芳纶纤维表面后，在硫化黏合时，天然橡胶向纤维表面发生了扩散，并且在黏合界面上与纤维表面形成了化学键。图 2-6 硫化黏合前后芳纶纤维表面的扫描电镜照片：（a）未经处理的芳纶纤维表面；（b）原始二浴处理后的芳纶纤维表面；（c）三浴处理后的芳纶纤维表面；（d）T 抽出测试后未经处理的芳纶纤维表面；（e）T 抽出测试后二浴处理的芳纶纤维表面；（f）T 抽出测试后三浴处理的芳纶纤维表面Figure 2-6 SEM images of aramid fiber surfaces before and afteradhesion:(a) untreated aramid fiber surface;(b) aramid fiber surface aftersecond-bathing treatment;(c) aramid fiber surface after third-bathingtreatment;(d) untreated aramid fiber surface after T pull-out testing; (e)armiad fiber surface with second-bathing treatment after T pull-out testing;(f) aramid fiber surface with third-bathing treatment after T pull-outtesting.然后使用扫描电镜附带的能谱分析仪（SEM-EDX）分析抽出测试后芳纶纤维表面的元素种类及含量，结果如表 2-8 所示。从表 2-8 中的数据可以看到，使用不同含量酚醛树脂 PN760 的三浴溶液处理芳纶纤维后，芳纶纤维表面的 S、Zn等元素的含量显著提升，说明在硫化与黏合的过程中，天然橡胶向芳纶纤维表面

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图 3-6 硫化黏合前后芳纶纤维表面的扫描电镜照片：（a）未经处理的芳纶纤维表面；（b）原始二浴处理后的芳纶纤维表面；（c）含 2.0%气相法白炭黑的二浴溶液处理的芳纶纤维表面；（d）T 抽出测试后未经处理的芳纶纤维表面；（e）T 抽出测试后原始二浴处理的芳纶纤维表面；（f）T 抽出测试后含有气相法白炭黑的二浴处理的芳纶纤维表面Figure 3-6 SEM images of aramid fibers surface before and afteradhesion:(a) untreated aramid fiber surface;(b) aramid fiber surface aftersecond-bathing treatment; (c) aramid fiber surface after being treated bysecond-bathing solution with 2.0wt% fumed silica; (d) untreated aramidfiber surface after T pull-out testing; (e) aramid fiber surface with originalsecond-bathing treatment after T pull-out testing; (f) aramid fiber surfacewith second-bathing treatment containing fumed silica after T pull-outtesting.表 3-8 T 抽出测试后芳纶纤维表面元素分析Table 3-8 Elemental analysis of aramid fibers after T pull-outtesting元素含量（wt%） C O S Zn

【参考文献】