專利名稱：等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬Vectran纖維表面改性的制備領(lǐng)域，特別是涉及等離子體處理涂覆納米二氧 化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法。
背景技術(shù)：
Vectran —種高性能之液晶高分子纖維，為Polyeater聚酯類基團(tuán)與polyarylate聚亞芳 香基共聚合而成(Polyester-Polyarylate)，以對(duì)羥基苯甲酸、2羥基6甲酸為原料，這使分子 鏈的規(guī)整性被破壞，使加工熔融溫度降低，提高了使用價(jià)值。其物化性質(zhì)與一般之液晶纖 維如Kevlar等極為相近，同為高模數(shù)高強(qiáng)度之人造纖維，1500 d/300f高強(qiáng)力型Vectran之 抗拉模數(shù)為64.9 GPa~72.5 GPa，拉伸強(qiáng)度為23~26 g/d，其斷裂伸率僅為3.3%~3.7 °/。，單 根纖維為5d其纖維直徑為23 ixm， Vectran除了具有優(yōu)越的抗拉伸性外，亦具有高熔點(diǎn)(330 'C)的特性與耐燃性(L.O.I值〉30)，且具良好耐化學(xué)藥品性。聚酯型液晶高分子纖維長(zhǎng)絲廣 泛應(yīng)用于輪胎、膠帶(運(yùn)輸帶)、膠管等橡膠制品的補(bǔ)強(qiáng)材料；各種塑料和混凝土等的補(bǔ)強(qiáng) 材料；彈道飛彈和復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)材料；光纖的受拉件和光纖的保護(hù)膜；電熱線、耳機(jī)線 等各種軟線的增強(qiáng)纖維；繩索和纜繩等高拉力材料；高溫過(guò)濾用之耐熱過(guò)濾材料；炸彈和 子彈的防護(hù)設(shè)備如防彈背心、防彈頭盔和高性能飛行服；網(wǎng)球、快艇、賽艇等體育器材； 高級(jí)擴(kuò)音器之振動(dòng)板、新型通訊用材料；航空航天用材料等。短纖維和漿粕應(yīng)用于摩擦材 料和密封墊片用補(bǔ)強(qiáng)纖維；各種樹脂、塑料的增強(qiáng)材料等。紗線應(yīng)用于消防服、爐前工作 服、焊接工作服等處理熔融金屬之現(xiàn)場(chǎng)用耐熱工作服；防切傷保護(hù)服、安全手套和安全鞋； 賽車服、騎手服；各種運(yùn)動(dòng)服和活動(dòng)性運(yùn)動(dòng)裝備；飛行服；防割裝備等。
目前，對(duì)于利用分子設(shè)計(jì)方法進(jìn)行側(cè)鏈液晶高分子的合成這一領(lǐng)域的研究工作十分活 躍，但仍局限于實(shí)驗(yàn)室中，向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化還有待進(jìn)一步地解決。如何進(jìn)一步開發(fā)各種 改性技朮，使Vectran性能揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短或賦予某些新的功能進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等一系列問(wèn) 題。
低溫等離子體處理技術(shù)是目前進(jìn)行Vectran纖維表面改性技術(shù)中研究最多的一種方法。 但傳統(tǒng)低溫等離子體處理技術(shù)在連續(xù)化速度太慢，處理中需保持一定真空度，條件比較苛 刻，在工業(yè)化生產(chǎn)方面不是很理想，急需一種新的Vectmii纖維表面處理方法。目前現(xiàn)有 的等離子體處理Vectran纖維表面改性技術(shù)專利沒(méi)有涉及利用納米材料制備溶膠技術(shù)，更 沒(méi)有提到利用納米二氧化硅溶膠技術(shù)涂覆Vectran纖維，特別是經(jīng)納米二氧化硅溶膠涂覆 后的Vectran纖維再經(jīng)等離子體技術(shù)進(jìn)行表面改性的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖 維表面改性的方法，該方法可以有效改善纖維的性能，使其復(fù)合材料的成型工藝性和整體 綜合性能得到改善。
本發(fā)明的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法，包括
(1) 將納米級(jí)二氧化硅利用超聲波震蕩技術(shù)配制成有機(jī)溶劑或水的0.01~15%溶膠液或有 機(jī)-無(wú)機(jī)納米顆粒的先驅(qū)液與二氧化硅納米顆粒經(jīng)雜化反應(yīng)制得溶膠液；
(2) 將上述溶膠液涂敷在Vectmn纖維表面，可以使用噴涂，浸軋等方法，然后烘干；
(3) 將上述烘干的涂覆納米二氧化硅溶膠Vectran纖維置于圖6所示的等離子體處理設(shè)備 的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射Vectran纖維和涂覆表 面，使涂覆納米二氧化硅溶膠Vectmn纖維在等離子體氛圍中運(yùn)動(dòng)，處理功率為 10W-15000W，時(shí)間為0.5-300s，產(chǎn)生Vectran纖維和涂覆表面改性。
所述步驟(1)的有機(jī)溶劑選自己烷，異戊垸，正戊烷，石油醚，己烷，環(huán)己烷，異 辛垸，三氟乙酸，三甲基戊烷，環(huán)戊烷，庚烷，丁基氯；丁酰氯，三氯乙烯；乙炔化三氯， 四氯化碳，三氯三氟代乙烷，丙基醚；丙醚，甲苯，對(duì)二甲苯，氯苯，鄰二氯苯，二乙醚; 醚，苯，異丁醇，二氯甲垸，二氯化乙烯，正丁醇，醋酸丁酯；乙酸丁酯，丙醇，甲基異 丁酮，四氫呋喃，乙酸乙酯，異丙醇，氯仿，甲基乙基酮，二惡垸；二氧六環(huán)；二氧雜環(huán) 己垸，吡啶，丙酮，硝基甲垸，乙酸，乙腈，苯胺，二甲基甲酰胺，甲醇，乙二醇，正辛 醇，正己醇，異丁醇，正丁醇，環(huán)己醇，異丙醇，正丙醇，甲醇，乙二醇，二丙酮醇，二 甲亞砜DMSO，丙酮，乙酸乙酯，石油醚，氯仿，四氫呋喃，二氧六環(huán)，DMF， 二氯甲 烷，二硫化碳，四氫呋喃，三氟代乙酸，三氯乙垸，乙酸乙酯，丁酮，乙二醇二甲醚，乙 二醇一甲醚，乙酸丁酯中的一種或幾種。
所述步驟(1)有機(jī)納米顆粒為油酸包覆的四氧化三鐵微粒、醋酸、鈦酸四丁酯等中 的一種或幾種。
所述步驟(1)無(wú)機(jī)納米顆粒為納米級(jí)金屬、納米級(jí)金屬氧化物、納米級(jí)非金屬、納 米級(jí)非金屬氧化物中的一種或幾種的混合物納米顆粒。
所述按不同需求混合的納米級(jí)金屬為銀、銅及其混合物，納米級(jí)金屬氧化物為鈦、鋁、 鋯、鐵、錫、鋅、鋇、鎳氧化物中的一種或幾種，非金屬及其氧化物納米顆粒為碳納米管、 蒙脫土、磷氧化物的一種或幾種的混合復(fù)配物納米顆粒。
所述步驟(3)的等離子體發(fā)生裝置是各類等離子體發(fā)生器，等離子體氛圍由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，并經(jīng)由噴嘴機(jī)構(gòu)噴射到常溫、常壓、大氣環(huán)境中形成的等離子體氛圍。
所述步驟(3)等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種，其中氦氣、 氬氣摩爾比為50%-99.99%，功能性氣體為0.001 30%，同時(shí)流經(jīng)等離子體形成區(qū)形成等 離子體氛圍。
所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮?dú)狻⑺姆?、二氧化碳、甲?CH4)、 乙烷(C2H6 )、丙烷(C3H8)、 丁烷(C4H10)、戊烷(C5H12)、己烷(C6H14)、庚垸(C7H16)、 辛烷(C8H18)、壬垸(C9H20)、癸垸(C10H22)、 ^一烷(CUH24)、 十二垸(C12H26)、十 三烷(C13H28)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、 丁烯(C4H8)、戊烯(C5H10)、己烯(C6H12)、 丙二烯(C3H4)、 丁二烯(C4H6)、異戊二烯(C5H8)、己三烯(C6H8)、乙炔(C2H2)、丙 炔(C3H4)、 丁炔(C4H6)、戊炔(C5H8)、己炔(C6H10)、庚炔(C7H12)、辛炔(C8HI4)、 壬炔(C9H16)、癸炔(C10H18)、十一炔(CUH20)、四氟乙烯和硅烷、各種硅氧烷氣體、丙 烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它們組合氣體。
等離子體改性處理的Vectran纖維先用納米二氧化硅溶膠包覆。
具體設(shè)備排布可以根據(jù)需要改變。
參見圖6所示，將待處理的Vectran纖維1沿溶膠浸軋裝置2的花籃外圓線浸入納米 二氧化硅溶膠，進(jìn)行浸軋加工，而后Vectmn纖維被導(dǎo)入烘干裝置3，在特定溫度下烘干并 收集溶劑。而后Vectmn纖維被引入等離子體噴嘴4的等離子體氛圍區(qū)進(jìn)行等離子體表面 改性，在后部有一個(gè)自動(dòng)收巻機(jī)5，可以將處理后的Vectran纖維l進(jìn)行在線收巻，通過(guò)調(diào) 節(jié)收巻軸的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)Vectran纖維的走線速度。根據(jù)不同加工工藝的需要，Vectran纖維 經(jīng)過(guò)等離子體噴嘴的距離，速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
經(jīng)等離子體處理后Vectran纖維表面發(fā)生如下的物理化學(xué)變化(1) Vectran纖維表面 以及表面涂敷的納米材料表面的部分化學(xué)鍵斷開，形成化學(xué)活性高的自由基；(2)以等離 子體狀態(tài)存在的自由基，迅速與Vectran纖維表面以及表面涂敷的納米材料表面的自由基 結(jié)合，形成新的化學(xué)鍵；(3) Vectran纖維表面以及表面涂敷的納米材料表面受到轟擊和刻 蝕，微觀結(jié)構(gòu)由光滑變粗糙，有利于有機(jī)基體材料如樹脂的滲透。
納米級(jí)二氧化硅顆粒溶膠對(duì)Vectran纖維表面進(jìn)行涂層處理，同時(shí)使用等離子體對(duì)纖 維及涂層進(jìn)行表面改性處理，使Vectran纖維表面性能得到改善，與基體樹脂的浸潤(rùn)速度 提高，浸潤(rùn)量增大，浸潤(rùn)效果改善，同時(shí)在等離子體的作用下強(qiáng)化纖維與涂層間的結(jié)合， 使纖維本體性能得到一定程度的優(yōu)化。經(jīng)過(guò)本發(fā)明所述方法處理過(guò)的Vectran纖維同有機(jī) 基體材料之間的復(fù)合性能得到提高。有益效果
(1) 經(jīng)過(guò)本發(fā)明所述方法處理過(guò)的Vectmn纖維同有機(jī)基體材料之間的復(fù)合性能得到了 大大提高；
(2) 工藝簡(jiǎn)單、操作方便、加工速度快、處理效果好、成本低、不易引起環(huán)境污染， 并且還可以降低能耗，適合工業(yè)化生產(chǎn)；
(3) 根據(jù)不同體系的要求，方便改換處理工藝，滿足不同的應(yīng)用需求。


圖1接觸角照片； 圖2紅外圖譜； 圖3接觸角照片； 圖4紅外圖譜；
圖5氦等離子體與氧等離子體處理紅外差譜； 圖6Vectran纖維的表面處理方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用 于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可 以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范 圍。
實(shí)例1
氦等離子體處理納米二氧化硅溶膠涂覆VECTRAN纖維
參見圖6所示，將待處理的VECTRAN纖維1沿溶膠浸軋裝置2的花籃外圓線浸入納米二 氧化硅溶膠(0.05% )，進(jìn)行浸軋加工，而后VECTRAN纖維被導(dǎo)入烘干裝置3，在特定 溫度下烘干并收集溶劑。而后VECTRAN纖維被引入等離子體噴嘴4的等離子體氛圍區(qū)進(jìn) 行等離子體表面改性(纖維束上表面距噴嘴距離5MM，纖維束下表面距離噴嘴〈20MM， 功率40瓦及2秒時(shí)間下得到處理)，在后部有一個(gè)自動(dòng)收巻機(jī)5，可以將處理后的VECTRAN 纖維l進(jìn)行在線收巻，通過(guò)調(diào)節(jié)收巻軸的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)VECTRAN纖維的走線速度。根據(jù)不 同加工工藝的需要，VECTRAN纖維經(jīng)過(guò)等離子體噴嘴的距離，速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。 VECTRAN纖維表面處理效果接觸角照片如圖l，紅外圖譜如圖2。
實(shí)例2
氧等離子體處理納米二氧化硅溶膠涂覆VECTRAN纖維參見圖6所示，將待處理的VECTRAN纖維1沿溶膠浸軋裝置2的花籃外圓線浸入納米二 氧化硅溶膠(0.05% )，進(jìn)行浸軋加工，而后VECTRAN纖維被導(dǎo)入烘干裝置3，在特定 溫度下烘干并收集溶劑。而后VECTRAN纖維被引入等離子體噴嘴4的等離子體氛圍區(qū)進(jìn) 行等離子體表面改性(纖維束上表面距噴嘴距離5MM，纖維束下表面距離噴嘴〈20MM， 功率40瓦及2秒時(shí)間下得到處理)，在后部有一個(gè)自動(dòng)收巻機(jī)5，可以將處理后的VECTRAN 纖維l進(jìn)行在線收巻，通過(guò)調(diào)節(jié)收巻軸的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)碳纖維的走線速度。根據(jù)不同加工工 藝的需要，VECTRAN纖維經(jīng)過(guò)等離子體噴嘴的距離，速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。VECTRAN 纖維表面處理效果接觸角照片如圖3，紅外圖譜如圖4。
權(quán)利要求
1. 等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法，包括(1)將納米級(jí)二氧化硅利用超聲波震蕩技術(shù)配制成有機(jī)溶劑或水的0.01～15％溶膠液或有機(jī)-無(wú)機(jī)納米顆粒的先驅(qū)液與二氧化硅納米顆粒經(jīng)雜化反應(yīng)，制得溶膠液；(2)將上述溶膠液涂敷在Vectran纖維表面，使用噴涂或浸軋方法，然后烘干；(3)將上述烘干的涂覆納米二氧化硅溶膠Vectran纖維置于等離子體處理設(shè)備的專用傳輸裝置上，在大氣壓，開放環(huán)境下，直接將等離子體噴射Vectran纖維和涂覆表面，使涂覆納米二氧化硅溶膠Vectran纖維在等離子體氛圍中運(yùn)動(dòng)，處理功率為10W-15000W，時(shí)間為0.5-300s，產(chǎn)生Vectran纖維和涂覆表面改性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方 法，其特征在于所述步驟(1)的有機(jī)溶劑選自己垸，異戊烷，正戊烷，石油醚，己烷， 環(huán)己垸，異辛烷，三氟乙酸，三甲基戊烷，環(huán)戊烷，庚烷，丁基氯；丁酰氯，三氯乙烯；乙 炔化三氯，四氯化碳，三氯三氟代乙烷，丙基醚；丙醚，甲苯，對(duì)二甲苯，氯苯，鄰二氯 苯，二乙醚；醚，苯，異丁醇，二氯甲垸，二氯化乙烯，正丁醇，醋酸丁酯；乙酸丁酯， 丙醇，甲基異丁酮，四氫呋喃，乙酸乙酯，異丙醇，氯仿，甲基乙基酮，二惡垸；二氧六 環(huán)；二氧雜環(huán)己烷，吡啶，丙酮，硝基甲垸，乙酸，乙腈，苯胺，二甲基甲酰胺，甲醇， 乙二醇，正辛醇，正己醇，異丁醇，正丁醇，環(huán)己醇，異丙醇，正丙醇，甲醇，乙二醇， 二丙酮醇，二甲亞砜DMSO，丙酮，乙酸乙酯，石油醚，氯仿，四氫呋喃，二氧六環(huán)， DMF， 二氯甲垸，二硫化碳，四氫呋喃，三氟代乙酸，三氯乙垸，乙酸乙酯，丁酮，乙二 醇二甲醚，乙二醇一甲醚，乙酸丁酯中的一種或幾種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方 法，其特征在于所述步驟(1)有機(jī)納米顆粒為油酸包覆的四氧化三鐵微粒、醋酸、鈦 酸四丁酯中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方 法，其特征在于所述步驟(1)無(wú)機(jī)納米顆粒為納米級(jí)金屬、納米級(jí)金屬氧化物、納米 級(jí)非金屬、納米級(jí)非金屬氧化物中的一種或幾種的混合物納米顆粒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectmn纖維表面改性的方 法，其特征在于所述的納米級(jí)金屬為銀、銅及其混合物納米顆粒，納米級(jí)金屬氧化物為 鈦、鋁、鋯、鐵、錫、鋅、鋇、鎳氧化物中的一種或幾種，非金屬及其氧化物納米顆粒為 碳納米管、蒙脫土、磷氧化物的一種或幾種的混合復(fù)配物納米顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法，其特征在于所述步驟(3)的等離子體發(fā)生裝置是各類等離子體發(fā)生器，等離子體 氛圍由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，并經(jīng)由噴嘴機(jī)構(gòu)噴射到常溫、常壓、大氣環(huán)境中形成的等離 子體氛圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectmn纖維表面改性的方 法，其特征在于所述步驟(3)等離子體選自氦氣、氬氣或功能性氣體中的一種或幾種， 其中氦氣、氬氣摩爾比為50%-99.99%，功能性氣體為0.001 30%，同時(shí)流經(jīng)等離子體形 成區(qū)形成等離子體氛圍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectmn纖維表面改性的方 法，其特征在于所述的功能性氣體為S02、氨氣、氧氣、氫氣、氮?dú)?、四氟化碳、二?化碳、甲烷CH4、乙烷C2H6 、丙垸C3H8、 丁烷C4H1C)、戊烷C5H12 、己垸C6H14 、 庚垸C7H16 、辛烷C8H18、壬垸C9H2Q 、癸烷C1QH22、十一垸C H24 、十二烷C12H26 、 十三烷C13H28、乙烯C2H4、丙烯C3H6、 丁烯C4H8、戊烯C5H1()、己烯C6H12、丙二烯C3H4、 丁二烯C4H6、異戊二烯C5H8、己三烯C6H8、乙炔C2H2、丙炔C3H4、 丁炔C4H6、戊炔C5H8、 己炔C6H1()、庚炔C7H12、辛炔C8H14、壬炔C9H16、癸炔C1QH18、 i"^一炔CnH》四氟乙 烯和硅烷、各種硅氧垸氣體、丙烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它們組合氣體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的 方法，其特征在于等離子體改性處理的Vectran纖維先用納米二氧化硅溶膠包覆。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的 方法，其特征在于具體設(shè)備排布可以根據(jù)需要改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及等離子體處理涂覆納米二氧化硅溶膠的Vectran纖維表面改性的方法，包括(1)將納米級(jí)二氧化硅利用超聲波震蕩技術(shù)配制成有機(jī)溶劑或水的溶膠液或有機(jī)-無(wú)機(jī)納米顆粒的先驅(qū)液與二氧化硅納米顆粒經(jīng)雜化反應(yīng)制得的溶膠液；(2)將上述溶膠液涂敷在纖維表面，然后烘干；(3)將烘干的Vectran纖維置于等離子體傳輸裝置上，將等離子體噴射到物質(zhì)上，處理功率為10W-15000W，時(shí)間為0.5-300s，產(chǎn)生改性。該方法可以有效改善纖維的性能，使其復(fù)合材料的成型工藝性和整體綜合性能得到改善，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、加工速度快、處理效果好、成本低、不易引起環(huán)境污染，并且還可以降低能耗，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D06M10/06GK101413211SQ20081020262
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者吳紅艷, 張迎晨, 朱海燕, 邱夷平 申請(qǐng)人:東華大學(xué);中原工學(xué)院