滌綸織物聚氯乙烯復(fù)合材料的界面改性

滌綸織物聚氯乙烯復(fù)合材料的界面改性

采用聚丙烯柔性纖維材料，具有較高的強(qiáng)度和模量、良好的尺寸穩(wěn)定性、較強(qiáng)的負(fù)荷和良好的抗旱性。為此,眾多學(xué)者對(duì)滌綸進(jìn)行表面改性處理來(lái)改善其表面性能。主要有堿處理1試驗(yàn)部分1.1試劑、儀器和儀器普通高強(qiáng)型滌綸長(zhǎng)絲(277dtex/48f,單絲直徑約為20μm),浙江古纖道新材料股份有限公司;NaOH,分析純;表面活性劑1227,杭州科峰化工有限公司;抗靜電劑SN,江蘇省安海石油化工廠;MS-4510型形狀記憶聚氨酯(SMPU),三菱重工,其中溶劑N,N-二甲基甲酰胺(DMF)與SMPU的質(zhì)量比為7∶3;N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、對(duì)甲基苯磺酸(PTSA)、正硅酸乙酯(TEOS),均為分析純,杭州米克化工儀器有限公司;聚氯乙烯樹脂(PVC)P-450,上海氯堿化工股份有限公司;鄰苯二甲酸二辛酯(DOP),分析純;環(huán)氧大豆油(ESO),分析純;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550),分析純。1.2表面活性劑1.2.1pf-0的滌綸束的制備將滌綸繞成8字型,交叉處固定,以免處理過(guò)程中纖維散亂。繞成8字型的滌綸束放入質(zhì)量濃度分別為3g/L和2g/L的NaOH與抗靜電劑SN混合溶液中,浴比為1∶100,在50℃條件下超聲清洗30min,然后用去離子水多次沖洗,干燥后儲(chǔ)存?zhèn)溆?命名為PF-0。1.2.2性劑2.5%將PF-0進(jìn)行堿減量處理。處理工藝為:NaOH質(zhì)量濃度10g/L,表面活性劑1227質(zhì)量濃度1g/L,溫度90℃,浴比1∶100,時(shí)間50min。然后經(jīng)熱水、冷水反復(fù)洗滌,直至pH值小于8。再將纖維取出放入烘箱65℃下干燥3h,冷卻至室溫,制得減量率為14.13%的滌綸,命名為PF-1。1.2.3溶膠的制備室溫下稱取TEOS、PTSA溶解在DMAc溶劑中,按比例混合加入燒杯中,用保鮮膜封口磁力攪拌2h得溶液A。再將DMAc、KH550溶解后與SMPU混合,用保鮮膜封口后50℃恒溫油浴下磁力攪拌2h得溶液B。最后在50℃恒溫磁力攪拌下將溶液A用蠕動(dòng)泵以1mL/min的速度與溶液B混合均勻,控制比例m(TEOS)∶m(KH550)∶m(PTSA)=5∶1∶0.05,得到澄清透明的溶膠C。然后用DMAc溶劑稀釋溶膠C,最終得到SiO將PF-1置于配制好的雜化涂劑D中浸漬6min,采用自制直立式浸膠裝置以3mm/s的速度提拉,在溫度為25℃,相對(duì)濕度為65%的條件下放置48h后,將纖維以0.5℃/min的速率升溫至70℃,然后冷卻至室溫,命名為PF-2。1.3織物命名及行處理標(biāo)準(zhǔn)將滌綸長(zhǎng)絲采用經(jīng)編機(jī)制成規(guī)格為50橫列/5cm×40縱行/5cm的1×1平紋經(jīng)編織物。用1.2中方法對(duì)滌綸織物進(jìn)行處理,分別命名為PF-0織物、PF-1織物和PF-2織物。將聚氯乙烯樹脂(PVC)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、環(huán)氧大豆油(ESO)以質(zhì)量比為100∶130∶7混合均勻,分別澆注到PF-0織物、PF-1織物和PF-2織物的模具中,在160℃烘箱中烘燥15min,得到滌綸織物/PVC復(fù)合材料試樣,試樣厚度為1.12mm。1.4拉伸性能測(cè)試表面改性前后的滌綸形貌采用德國(guó)ZEISS公司的ULTRA55型場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(FE-SEM)進(jìn)行觀察;采用韓國(guó)ParkSystem公司XE-100E型原子力顯微鏡(AFM)對(duì)改性前后滌綸表面形貌進(jìn)行觀察,掃描范圍為4μm×4μm,并對(duì)纖維表面的粗糙度進(jìn)行分析;滌綸表面能通過(guò)采用美國(guó)THEMOCAHN公司的動(dòng)態(tài)接觸角分析儀進(jìn)行測(cè)試并計(jì)算;滌綸單絲強(qiáng)度的測(cè)試,參照ISO11566—1996《纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試》,在KES-G1萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行,測(cè)試標(biāo)距為25mm,樣本容量為50根;參照GB/T1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》,采用美國(guó)Instron3367萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)滌綸織物/PVC復(fù)合材料進(jìn)行縱向和橫向的拉伸性能測(cè)試;并對(duì)復(fù)合材料的界面剝離強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)采用180°剝離法,試樣規(guī)格為200mm×25mm,夾持隔距為50mm,剝離速度為100mm/min,每種試樣的有效樣本容量為5個(gè),取其平均值;復(fù)合材料的斷面形貌采用德國(guó)ZEISS公司的ULTRA55型場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡進(jìn)行觀察。2結(jié)果與討論2.1改性滌綸表面的表征由于滌綸表面的油劑及灰塵等雜質(zhì)對(duì)纖維表面形貌有一定的影響,故需對(duì)其進(jìn)行去油處理。經(jīng)去油處理的滌綸掃描電鏡(SEM)照片如圖1(a)所示,纖維呈圓柱狀,表面平整光滑。圖1(b)為去油處理的滌綸經(jīng)雜化涂劑涂覆后的SEM照片。從圖中不難看出,雜化涂劑附著在滌綸表面,雜化涂劑與纖維的結(jié)合程度不夠好。圖2(a)為經(jīng)堿減量處理且減量率為14.13%的滌綸的SEM照片。從中可看出纖維表面粗糙,表面密布著點(diǎn)式凹坑和小溝痕。這是由于堿處理對(duì)滌綸表面的刻蝕作用產(chǎn)生的,有利于提高滌綸的比表面積和表面活性。圖2(b)為PF-1纖維經(jīng)雜化涂劑涂覆后的SEM照片。從中可看出纖維表面為均勻的納米膜粒層,對(duì)堿處理對(duì)滌綸的損傷給予一定的彌補(bǔ),從圖中還可看到雜化涂劑與纖維結(jié)合良好,纖維表面的粒子呈半嵌入狀態(tài)分布在纖維表面。原子力電子顯微鏡(AFM)可更為精細(xì)地觀察纖維的表面形貌,并且可計(jì)算出纖維表面的粗糙度。圖3為改性前后滌綸表面的AFM照片。從圖中可看出,去油處理后的滌綸PF-0表面光滑,堿減量處理后,堿減量率為14.13%的滌綸PF-1凹凸不平現(xiàn)象明顯,使得纖維的表面粗糙度有了一定程度的提高。經(jīng)過(guò)雜化涂劑涂覆后的滌綸PF-2由于表面存在納米顆粒,且納米顆粒的存在狀態(tài)不完全一致,這使得纖維表面粗糙度有了進(jìn)一步的提高。經(jīng)處理的滌綸PF-0、PF-1、PF-2表面粗糙度分別為39.735、68.006、166.127nm。由數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)涂覆處理的滌綸PF-2的表面粗糙度最大。這是因?yàn)殡s化涂劑中的納米顆粒附著在纖維表面形成凹凸不平的膜粒,使得表面粗糙度有了較大的提高,有效地改善了復(fù)合材料界面的浸潤(rùn)性。同時(shí),由于纖維表面粗糙度增大,可增大纖維的比表面積,根據(jù)復(fù)合材料界面機(jī)械嚙合理論可知纖維比表面越大,其與樹脂基體之間的摩擦因數(shù)就相應(yīng)增大,從而纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度得到提高。2.2表面接觸角c根據(jù)OWRK理論式中:θ為液相在固相表面的接觸角,(°);γ通過(guò)測(cè)定極性較強(qiáng)的水、極性較弱的二碘甲烷2種液體與滌綸之間的動(dòng)態(tài)接觸角,并已知水的γ2.3改性滌綸的斷裂強(qiáng)度表2示出經(jīng)去油處理的滌綸(PF-0)、堿減量處理的滌綸(PF-1)以及雜化涂料涂覆處理的滌綸(PF-2)的拉伸斷裂強(qiáng)度。從表中可看出,經(jīng)堿減量處理滌綸的斷裂強(qiáng)度下降,強(qiáng)度CV值升高,說(shuō)明堿減量處理對(duì)滌綸有一定的損傷。經(jīng)涂覆處理,由于單纖維的截面積增大,使得單絲的強(qiáng)度降低了3%,而強(qiáng)度CV值卻降低了20.7%,這足以說(shuō)明涂覆處理對(duì)經(jīng)堿減量處理的滌綸的損傷有一定的修復(fù)作用。2.4織物拉伸性能3種滌綸織物/PVC復(fù)合材料的拉伸性能見表3。從表中可看出,每種試樣的縱向抗拉強(qiáng)度均大于橫向抗拉強(qiáng)度。這是由于復(fù)合材料增強(qiáng)織物的縱向密度大于橫向密度。盡管PF-0纖維、PF-1纖維、PF-2纖維的抗拉強(qiáng)度是依次降低的,PF-0織物/PVC復(fù)合材料、PF-1織物/PVC復(fù)合材料、PF-2織物/PVC復(fù)合材料的縱向、橫向抗拉強(qiáng)度均是依次升高的,這充分說(shuō)明了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度除與織物本身的強(qiáng)度有關(guān)外,還和增強(qiáng)織物與基體之間的黏結(jié)性能密切相關(guān)。PF-0織物經(jīng)堿減量處理后,纖維表面呈現(xiàn)點(diǎn)式凹坑,使得纖維的比表面積增大,即與PVC樹脂基接觸面積增大,增大了復(fù)合界面,經(jīng)復(fù)合后復(fù)合材料的拉伸性能相應(yīng)提高。PF-1織物經(jīng)過(guò)雜化涂劑涂覆后,纖維表面粗糙度進(jìn)一步提高,且纖維表面的含氧極性基團(tuán)增多,這都有利于織物與基體PVC樹脂的黏結(jié),故經(jīng)雜化涂劑涂覆后,復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)一步提高。2.5物/pvc樹脂復(fù)合材料的斷裂面分析滌綸織物/PVC復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示。可看到:改性后PF-2織物/PVC復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度達(dá)到了1.3879N/mm,較經(jīng)過(guò)去油處理的PF-0織物/PVC復(fù)合材料的剝離強(qiáng)度,提高了94.82%。滌綸織物/PVC樹脂復(fù)合材料斷裂面的SEM照片如圖4所示。由圖4(a)可看出,在復(fù)合材料斷裂過(guò)程中,織物被完全拔出基體,在基體表面留下清晰的凹痕,織物與基體產(chǎn)生明顯的脫黏現(xiàn)象,說(shuō)明織物與基體之間的結(jié)合不好;從圖4(b)中看出,斷裂的織物殘留在基體中,在復(fù)合材料的斷裂面上織物與基體分離,這說(shuō)明經(jīng)堿減量處理,織物表面粗糙度變大,增大了織物與基體的接觸面積,在一定程度上提高了復(fù)合材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度;從圖4(c)中可看出,位于斷裂面上的滌綸織物與PVC樹脂基體結(jié)合較好,這充分說(shuō)明了經(jīng)過(guò)涂覆處理后,織物表面的微觀粗糙度和極性基團(tuán)發(fā)生了明顯的變化,改變了織物表面的微觀形貌,增大了復(fù)合界面,從而使其與基體PVC樹脂的界面性能得到了明顯改善。3膜-粒結(jié)構(gòu)的表面粗糙度1)