[发明专利]表面形貌可控的高粘附性改性纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种表面形貌可控的高粘附性改性纤维及其制备方法与应用。所述改性纤维包括纤维基体和覆盖纤维基体的涂层；该涂层具有由纳米粒子构成的微纳结构，其中所述纳米粒子的尺寸为1‑500nm，所述纳米粒子的形状包括球状、片状和柱状中的至少任意一种；以及，所述涂层的厚度2‑500nm，涂层中Si的含量为2‑15％，N含量为1‑8wt％，并且在改性纤维的Si特征精细谱中，峰值为101.1eV处的特征峰面积与103.2eV处的特征峰面积的比值为5:1‑50:1。本发明提供的表面形貌可控的高粘附性改性纤维表面形貌可精确控制，其与基体树脂间的粘附性强、力学性能优异，且制备工艺简便可行、成本可控。

技术领域

本发明涉及一种改性纤维及其制备方法，特别涉及一种表面形貌可控、高粘附性及优异力学性能的改性纤维及其制备方法与应用，属于材料科学技术领域。

背景技术

在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点，纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性、抗腐蚀性和耐久性能好等优点。这些特点使得纤维增强材料广泛地应用于各种民用、航空航天等领域中。但是传统的增强纤维，如玻璃纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维及碳纤维等材料，表面光滑、极性基团含量较少，导致其与基体树脂之间界面粘结强度弱，受力时纤维易从基体中拔出，严重制约了其在复合材料领域中的应用。因此制备高表面形貌可控的纤维，提高其与树脂基体的粘结性能的同时保持纤维优异力学性能，一直是近年来的研究热点。

目前纤维的改性主要通过两类方法，一类是复合纺丝法，在纺丝时加入另一种含有极性基团的组分并纺丝；一类是表面改性法，主要通过氧化处理、等离子处理、辐照与涂覆等表面处理方法在纤维表面引入极性基团。公开号为CN112030563A的中国发明专利公开了一种单向导湿功能的异形截面纤维非织造布的制备方法，基于绿色的多巴胺化学在纤维表面形成粗糙结构，且多巴胺是一种天然的粘蛋白物质，比起传统的化学试剂更加具有环境友好性。公开号为CN112010572A的中国发明专利公开了一种导电玻璃纤维及其制备方法，该专利通过单宁酸的自身氧化在玻璃纤维表面沉积形成聚单宁酸功能涂层。公开号为CN108221389A的中国发明专利公开了一种提高涤纶通丝耐磨性能的涂层方法，它以水性聚氨酯浆料作为涂层浆料，将预处理后的涤纶浸渍于涂层浆料中进行浸轧，经烘干，热定型处理，得到涂层涤纶通丝，该发明选用水性聚氨酯有效改善其它涂层与涤纶间的粘附效果。公开号为CN103993479A的中国发明专利公开了一种硅烷交联改性超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，将未经干燥处理的超高分子量聚乙烯UHMWPE冻胶纤维置于改性溶液中，超声处理，然后进行多级热拉伸，即得具有较高的表面粘结性能力学性能基本保持的UHMWPE纤维。尽管上述方法均能够制得粘附性提升的纤维，但是均依然存在一些不足：1、制备工艺繁琐，纺丝过程中改性需要对现有纺丝工艺进行改造，增加生产成本；2、氧化法或辐照改性会以降低纤维力学性能为代价，且需要额外的处理设备；3、具有多酚类仿生结构化合物(如多巴胺、单宁酸等)进行表面涂覆时，能够在保持纤维力学性能的前提下实现提升粘附性的目的，但是该方法得到的纤维表面较为平滑、形貌不可控，粘附性提升主要是依靠表面极性基团与基体树脂间的键接或非共价键作用得到的。

另外，目前传统的多酚类物质表面涂覆法依靠酚羟基与基体表面的氢键、范德华力等非共价键实现对基体表面的有效涂覆，且该涂覆条件温和，有效地保持了纤维的优异力学性能。但是，该方法依然存在一些问题：1、多酚类物质形成的涂层在纤维表面以薄膜形式存在，尽管相比于未改性的纤维表面变得粗糙，但是表面的形貌无法实现有效地控制；2、该涂层与基体树脂的作用力主要依靠的仍然是多酚类物质与基体树脂之间形成的共价键或非共价键，而粗糙表面与基体树脂之间的机械互锁作用无法调控。

因此有必要开发出一种新的粘附性提升的纤维及其制备方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种表面形貌可控、高粘附性及优异力学性能的改性纤维及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：