本技術涉及芳綸改性,尤其涉及一種改性芳綸及其制備方法和應用。
背景技術:
1、隨著人們對生活品質要求的不斷提高,對其自身安全與健康也更加重視,普通紡織品已無法滿足人們的多元需求,這就對紡織品的安全、防護性能提出了更高的要求,因此,具備防護功能織物的應用領域越來越多。
2、芳綸纖維是含芳香環的一類線形聚酰胺紡制成的合成纖維,芳綸纖維具有高比模量、高比強度、密度低、耐疲勞、耐高溫等優異性能,因此在航空航天等領域具有廣泛的應用。
3、由于芳綸纖維的結晶度高,表面缺少活性基團,導致芳綸纖維與環氧樹脂界面之間的粘結性較差,因此需要大量的環氧樹脂浸透后才擁有足夠的粘結強度,所以目前市面上的芳綸環氧樹脂復合布中,環氧樹脂質量分數通常高達35%-45%。然而,當環氧樹脂的含量增加、芳綸纖維的含量減少后,制得的防刺服的防護能力會大大降低;此外,相關研究表明,即使在上述高含量的環氧樹脂條件下,制得的防刺服仍存在纖維布分層和防刺效果不佳的問題,難以滿足防刺服的使用要求。
技術實現思路
1、本技術目的在于針對當前技術的不足,提供一種改性芳綸及其制備方法和應用。利用本技術提供的改性芳綸與環氧樹脂制備改性芳綸環氧樹脂復合布,一方面能夠降低環氧樹脂的用量,另一方面解決了普通芳綸環氧樹脂復合布常出現的分層和防刺效果不佳的問題。通過納米氧化鋅顆粒均勻地生長于芳綸纖維表面,增加了芳綸纖維之間的結構互鎖,纖維表面的粗糙程度顯著提高,制備的改性芳綸顯著能夠提升芳綸纖維的拉伸強度、斷裂伸長率、斷裂強度,進而提升芳綸環氧樹脂復合布的防刺效果和層間粘結力。
2、第一方面,本技術提供一種改性芳綸的制備方法,采用如下技術方案:
3、一種改性芳綸的制備方法,包括以下步驟:
4、s1、將芳綸纖維浸漬于10%的氫氧化鈉溶液中20-30min,用去離子水洗滌,再將洗滌后的芳綸纖維浸漬于30%的醋酸溶液中20-30min,用去離子水洗滌,去除芳綸纖維表面的雜質;
5、s2、將乙酸鋅溶液和氫氧化鈉溶液混合,得到混合溶液,然后升溫至60℃并保溫1-2h,將步驟s1處理后的芳綸纖維浸漬于混合溶液中,在超聲攪拌下,進行第一次反應,將第一次反應后的芳綸纖維進行烘干,得到第一次納米氧化鋅改性芳綸纖維;
6、s3、將硝酸鋅溶液和烏洛托品溶液混合,得到硝酸鋅和烏洛托品混合溶液,然后升溫至60℃并保溫1h,將第一次納米氧化鋅改性芳綸纖維浸漬于硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液中,在超聲攪拌下,進行第二次反應,將第二次反應后的芳綸纖維在溫度145℃下進行烘干2-3h,得到改性芳綸。
7、通過采用上述技術方案,s1步驟:預處理芳綸纖維,在這個步驟中,芳綸纖維首先被浸漬在氫氧化鈉溶液中,然后用去離子水洗滌。這個過程中,氫氧化鈉溶液能夠去除芳綸纖維表面的油脂和其他雜質,提高纖維的純凈度。接著,芳綸纖維又被浸漬在醋酸溶液中,這可以進一步清潔纖維表面,并為后續的納米氧化鋅的生長提供良好的基礎。s2步驟:第一次納米氧化鋅改性,在這個步驟中,乙酸鋅和氫氧化鈉混合形成的溶液被用來在芳綸纖維表面生長納米氧化鋅顆粒。這個過程在超聲攪拌下進行,以確保氧化鋅顆粒均勻地分布在纖維表面。這種改性可以提高芳綸纖維的機械性能,如拉伸強度和斷裂伸長率,同時也增強了纖維之間的結構互鎖,提高了復合材料的層間粘結力。s3步驟:第二次納米氧化鋅改性,這個步驟使用硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液進一步改性芳綸纖維。這個過程同樣在超聲攪拌下進行,以確保更均勻的納米氧化鋅顆粒分布。第二次改性可以進一步提高纖維的機械性能和層間粘結力。這三個步驟共同作用,使得芳綸纖維的表面變得更加粗糙,增加了纖維之間的接觸面積和摩擦,從而提高了結構互鎖效果。這有助于提升芳綸環氧樹脂復合布的防刺效果和層間粘結力。通過這種雙重納米氧化鋅改性,芳綸纖維的拉伸強度、斷裂伸長率和斷裂強度得到顯著提升,這些改善的機械性能直接反映在最終復合材料的性能上。總結來說,本技術提供的改性芳綸制備方法通過兩個階段的納米氧化鋅改性,有效地提升了芳綸纖維的機械性能,同時改善了與環氧樹脂的相容性和粘合效果,從而制備出具有優良防刺性能和高粘結強度的復合布材料。
8、優選的,在步驟s2中,所述乙酸鋅溶液的摩爾濃度為0.2-0.25mol/l,所述氫氧化鈉溶液的摩爾濃度為0.25-0.28mol/l,所述乙酸鋅溶液和氫氧化鈉溶液的體積比為1:1-1.2。
9、通過采用上述技術方案,在步驟s2中,乙酸鋅溶液和氫氧化鈉溶液的特定摩爾濃度及體積配比在本技術中具有特定的功能和協同作用。乙酸鋅溶液的摩爾濃度為0.2-0.25mol/l,而氫氧化鈉溶液的摩爾濃度為0.25-0.28mol/l,這兩種溶液混合時體積比維持在1:1-1.2。這樣的濃度和比例配置對于制備改性芳綸纖維至關重要,具體作用如下:適宜的摩爾濃度有助于在混合過程中保持反應物的均勻分布,從而使得納米氧化鋅顆粒能夠更均勻地生長在芳綸纖維表面。這種均勻性是提高最終產品性能的關鍵因素。通過精確控制乙酸鋅和氫氧化鈉的摩爾濃度,可以調節混合溶液中納米氧化鋅形成的速率。過快或過慢的反應速率都可能導致不理想的纖維表面改性效果。納米氧化鋅的均勻生長增加了芳綸纖維之間的結構互鎖,這提高了復合布的層間粘結力和防刺效果。適當的摩爾濃度和體積比有利于形成理想的氧化鋅顆粒大小和分布,從而增強結構互鎖作用。總的來說,步驟s2中乙酸鋅和氫氧化鈉的特定摩爾濃度和體積比的設計,是為了實現對芳綸纖維表面改性過程的精確控制,從而在不犧牲環氧樹脂用量的前提下,解決普通芳綸環氧樹脂復合布分層和防刺效果不佳的問題。通過這種改性技術,可以顯著提高復合布的性能,滿足更高標準的應用需求。
10、優選的,在步驟s2中,所述第一次反應的工藝條件為:反應溫度為70-75℃,反應時間為1-1.5h。
11、通過采用上述技術方案,在步驟s2中,第一次反應的工藝條件設定為特定的溫度(70-75℃)和時間(1-1.5小時),這些條件對制備改性芳綸纖維的效果有顯著影響。適宜的反應溫度有利于乙酸鋅與氫氧化鈉反應生成納米氧化鋅顆粒的均勻性和一致性。溫度過高或過低都可能影響反應速率和產物的質量。在70-75℃的溫度范圍內,化學反應的速率會加快,這有助于在短時間內獲得所需的納米氧化鋅生長效果,同時避免不必要的能源消耗。適宜的反應時間確保了足夠的納米氧化鋅顆粒能夠在芳綸纖維表面形成,增加了結構互鎖,改善了纖維的表面粗糙度,從而提高了與環氧樹脂的粘結力。控制反應時間和溫度可以防止過度反應導致的芳綸纖維損傷,維持其原有的機械強度和柔韌性。綜上所述,步驟s2中的工藝條件是經過精心設計的,以確保在不損害原材料的基礎上實現最佳的表面改性效果,并為第二次納米氧化鋅改性創造良好的基礎。這樣的工藝設置對于整個改性過程和最終產品的性能至關重要。
12、優選的,在步驟s2中,所述烘干的工藝條件為:在溫度120-130℃下烘干1.5-2h。
13、優選的,在步驟s3中,所述硝酸鋅溶液的摩爾濃度為0.3-0.33mol/l,所述烏洛托品溶液的摩爾濃度為0.15-0.18mol/l,所述硝酸鋅溶液和烏洛托品溶液的體積比為1:1。
14、通過采用上述技術方案,硝酸鋅溶液的摩爾濃度為0.3-0.33mol/l,烏洛托品溶液的摩爾濃度為0.15-0.18mol/l,這樣的濃度范圍有助于確保第二次納米氧化鋅的生長過程均勻進行。均勻的反應是形成均一尺寸和分布的納米顆粒的關鍵,這對于提高最終產品的機械性能和防刺效果至關重要。通過調節反應物的摩爾濃度,可以控制納米氧化鋅的生長速率和形態。適宜的摩爾濃度和體積比有利于形成理想的納米氧化鋅顆粒大小和形狀,從而增強結構互鎖作用并提高纖維的表面粗糙度。第二次納米氧化鋅改性的目的是進一步增加芳綸纖維之間的結構互鎖,提高復合布的層間粘結力和防刺效果。適當的摩爾濃度和體積比有助于形成更均勻、更密集的納米氧化鋅顆粒,從而增強結構互鎖作用。第二次納米氧化鋅改性進一步提升了芳綸纖維的機械性能,包括拉伸強度、斷裂伸長率和斷裂強度。這些性能的提升轉化為了改善復合布的整體性能,尤其是在防刺效果和層間粘結力方面。總的來說,步驟s3中的摩爾濃度和體積比的設計,是為了實現對芳綸纖維表面第二次改性過程的精確控制,從而在不犧牲環氧樹脂用量的前提下,解決普通芳綸環氧樹脂復合布分層和防刺效果不佳的問題。通過這種改性技術,可以顯著提高復合布的性能,滿足更高標準的應用需求。
15、優選的,所在步驟s3中,所述第二次反應的工藝條件為:反應溫度為80-82℃,反應時間為2-2.5h。
16、通過采用上述技術方案,適宜的反應溫度有助于硝酸鋅與烏洛托品反應生成納米氧化鋅顆粒的均勻性和一致性。溫度過高或過低都可能影響反應速率和產物的質量。在80-82℃的溫度范圍內,化學反應的速率會加快,這有助于在短時間內獲得所需的納米氧化鋅生長效果,同時避免不必要的能源消耗。適宜的反應時間確保了足夠的納米氧化鋅顆粒能夠在芳綸纖維表面形成,增加了結構互鎖,改善了纖維的表面粗糙度,從而提高了與環氧樹脂的粘結力。控制反應時間和溫度可以防止過度反應導致的芳綸纖維損傷,維持其原有的機械強度和柔韌性。通過第二次反應的優化,得到的改性芳綸纖維在與環氧樹脂復合時表現出更好的相容性,提高了復合布的防刺效果和層間粘結力,同時允許減少環氧樹脂的使用量。
17、第二方面,本技術提供一種改性芳綸,采用如下的技術方案:
18、作為一個總的技術構思,本技術還提供由上述一種改性芳綸的制備方法制得的改性芳綸。
19、第三方面,本技術提供一種改性芳綸的應用,采用如下的技術方案:
20、作為一個總的技術構思,本技術還提供由上述改性芳綸在防刺服中的應用,先將改性芳綸紡織為線密度為333tex的改性芳綸紡平紋織物,然后在e44環氧樹脂加入質量比為2:1固化劑聚醚胺d230,攪拌均勻,得到e44環氧樹脂混合液;將改性芳綸紡平紋織物與e44環氧樹脂混合液于平板硫化機上制成改性芳綸環氧樹脂復合布,最后將改性芳綸環氧樹脂復合布制作為防刺服;通過設置改性芳綸紡平紋織物與e44環氧樹脂以不同層數制備得到不同厚度的改性芳綸環氧樹脂復合布,其中,所述改性芳綸環氧樹脂復布中改性芳綸紡平紋織物的質量含量為70%-75%。
21、通過采用上述技術方案,通過將改性芳綸紡織為線密度為333tex的平紋織物,可以確保織物具有足夠的強度和韌性。納米氧化鋅顆粒均勻生長在纖維表面,增加了纖維之間的結構互鎖,提高了織物的整體強度,從而有效提升防刺服的抗穿刺能力。利用e44環氧樹脂與固化劑聚醚胺d230混合制成的環氧樹脂混合液,能夠與改性芳綸紡平紋織物良好地結合。由于改性芳綸表面的粗糙度增加,有助于提高樹脂與纖維之間的接觸面積和粘附力,進而增強復合布的層間粘結力。通過不同層數的改性芳綸紡平紋織物與e44環氧樹脂混合液的結合,可以制備出不同厚度的復合布,滿足不同防護需求的定制。同時,由于改性芳綸纖維的拉伸強度、斷裂伸長率和斷裂強度得到顯著提升,所得到的復合布也表現出更優異的機械性能。通過使用改性芳綸,可以減少對環氧樹脂的依賴,降低材料成本,并減少環境影響。e44環氧樹脂的質量含量控制在25%-30%范圍內,既保證了復合布的性能,又避免了過多的樹脂使用。由于改性芳綸纖維的優異性能,復合布不僅具有更好的防護性能,同時也提升了穿著時的舒適性。此外,該復合布還具有良好的耐久性,可以經受長時間使用而不易損壞。綜上所述,本技術中的改性芳綸在防刺服中的應用,通過與e44環氧樹脂的結合,形成了高性能的復合布,顯著提升了防刺服的防護能力,同時保持了良好的成本效益和環保特性。
22、綜上所述,本技術的有益技術效果:
23、1.納米氧化鋅顆粒的均勻生長:通過將芳綸纖維浸漬于特定溶液并進行多次反應處理,納米氧化鋅顆粒能夠均勻地生長于芳綸纖維表面。這有助于增加纖維之間的結構互鎖,提高了纖維表面的粗糙程度。
24、2.提升纖維性能:經過改性處理后的芳綸纖維表現出更好的拉伸強度、斷裂伸長率和斷裂強度。這意味著改性芳綸在使用過程中更耐磨,更持久。
25、3.提升防刺性能:通過在芳綸纖維表面均勻生長納米氧化鋅顆粒,增加了纖維之間的結構互鎖,從而顯著提升了復合布的抗穿刺能力。這種結構互鎖效應增強了纖維與樹脂間的界面強度,使得復合布在受到外力沖擊時能夠更有效地分散和吸收能量。
26、4.改善層間粘結力:改性芳綸纖維表面的粗糙度增加,提高了與環氧樹脂的接觸面積,從而增強了層間的粘結力。這有助于防止復合布分層,提高了復合布的整體穩定性和耐用性。
27、5.提高機械性能:改性芳綸纖維的拉伸強度、斷裂伸長率和斷裂強度得到顯著提升,這些增強的機械性能直接轉化為復合布的高性能,使其在承受外部力量時表現出更好的韌性和強度。
28、6.減少材料用量:改性芳綸的引入,能夠在一定程度上降低環氧樹脂的用量,從而節約成本并達到輕量化設計的目的。