表面亲水改性聚丙烯纤维的性能研究

刘鸿铭 费逸伟 孙世安 马 军

(空军勤务学院 航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

聚丙烯纤维是用聚丙烯(pp)切片经纺丝、拉伸工艺制成的纤维级产品，聚丙烯是由C3H6聚合而成[1]。对于纤维增强水泥基复合材料的一系列实验和应用表明[2]，聚丙烯纤维在混凝土碱性环境中较为稳定，有较高熔点、且湿强保持率很好。但其耐火性差、对氧气和紫外线敏感，此外，由于聚丙烯分子没有极性基团的原因，使得其成为一种憎水性材料，粘结性较差。当其被包裹在水泥基体中，可避开了其短处[2]。

早在上世纪70年代，欧美各国已经开始使用掺入了聚丙烯单丝纤维的混凝土，其中聚丙烯纤维的作用主要是增强混凝土的抗冲击性[3]。英国萨里大学使用经过高倍拉伸制成的聚丙烯纤维，高体积率掺加于水泥基体中，制成了抗拉强度与变形能力较好的薄壁纤维水泥板，从而达到了充分发挥聚丙烯纤维对水泥基体的增强的目的[4]。1977年,有美国学者提出用占水泥重量2%的聚丙烯纤维来增强混凝土，提高其抗弯强度[5]。上世纪80年代，在普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度及抗折强度的对比实验中得出结论[6]，随着纤维体积率的增加，抗压强度降低，而抗拉强度和抗折强度有所提高。1988年有报导[7]指出聚丙烯体积掺入量为0.5%时抗压强度可提高25%。加入聚丙烯纤维后[8]，保水性变好，混凝土拌合物的坍损减少，但混凝土拌合物的粘聚性变差。

聚丙烯纤维具有很多适合应用于水泥基材料的优点，但同时也存在一些缺点：表面能低，分子链上缺少活性官能团，而且表面疏水，以致于纤维在水泥基材料中不容易分散；与基材的物理化学粘结力较差；弹性模量低，对水泥基材料硬化后的抗拉强度、抗压强度几乎没有增强作用[9]，因此，改性聚丙烯纤维也应用到了纤维增强水泥基材料当中，有试验结果表明[10]亲水改性后的聚丙烯纤维与水泥基体之间粘结力会更强。本文采用硅烷偶联剂对聚丙烯纤维的表面进行化学亲水改性，制备了硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维，并对产物进行了分析与表征。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯纤维(北京厚德交通科技有限公司)；硅烷偶联剂KH-570(国药集团化学试剂有限公司)；过氧化苯甲酰(上海晶纯生化科技股份有限公司)；二甲苯(上海凌峰化学试剂有限公司)；丙酮，分析纯(上海苏懿化学试剂有限公司)；乙醇，分析纯(上海苏懿化学试剂有限公司)；实验过程中所使用的水均为去离子水。

1.2 实验仪器

实验使用的仪器与设备如表1所示：

表1 实验仪器与设备Table 1 Table of equipment

1.3 实验方法及机理

先将2 g聚丙烯短切纤维在氮气环境中，用100 mL二甲苯在80 ℃温度下溶胀80 min，随后将纤维取出，趁热将溶液抽滤，将纤维滤出，用丙酮清洗三次，随后放入烘箱60 ℃，烘干8 h。

通过实验分别探究了硅烷偶联剂浓度以及改性时间对纤维改性的影响。使用比例为9∶1的醇水试剂作为溶液，加入一定量的的硅烷偶联剂KH-570制成实验试剂，并将烘干后的纤维在试剂中浸泡，分别讨论浸泡时间以及浸泡试剂浓度对改性的影响。不同时间梯度分别做5、10、20、30 min以及50 min共五组，其中每组硅烷偶联剂溶液浓度为20%；不同浓度梯度分别5、10、20、50%共四组，其中每组浸泡改性时间为30 min。其中硅烷偶联剂KH-570改性聚丙烯机理如图1所示。

图1 硅烷偶联剂KH-570改性聚丙烯机理Fig 1 Modification mechanism of polypropylene

2 结果分析与讨论

2.1 FTIR分析

由于硅烷偶联剂KH-570拥有独特的结构，如图2所示，在其分子链中有羰基的存在，能够为检验硅烷偶联剂是否在与纤维表面发生反应提供有力的依据。

使用4个浓度(5、10、20、50%)的硅烷偶联剂对浓硝酸聚丙烯纤维进行处理，经傅里叶变换红外光谱仪检测得到红外光谱图，红外谱图如图3所示。

进一步使用不同浓度的硅烷偶联剂对二甲苯聚丙烯纤维进行改性，从傅里叶变换红外光谱仪检测得到的不同浓度硅烷偶联剂处理的二甲苯改性聚丙烯纤维的红外光谱图中发现，随着硅烷偶联剂浓度的增加，波数大约1 720 cm-1处的碳氧双键(C=O)的特征吸收峰有明显的增强。以上结果同样表明了，硅烷偶联剂在二甲苯聚丙烯纤维的表面发生了自水解反应，并包裹在了纤维的表面，因此，纤维表面出现了羰基基团。

图2 硅烷偶联剂KH-570的结构式Fig 2 The chemical structural formula of KH-570

图3 不同浓度硅烷偶联剂KH-570改性二甲苯聚丙烯纤维红外图谱Fig 3 The Infrared spectroscopy of KH-570 modify PP Fiber in different concentration

由于50%浓度的硅烷偶联剂的改性效果最为明显，因此，使用50%的硅烷偶联剂，讨论时间对纤维的改性的效果。经傅里叶变换红外光谱仪检测，得到6种改性后纤维的红外光谱图，红外谱图如图4所示。

图4 不同时间对50%硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维的影响Fig 4 The Infrared spectroscopy of KH-570 modify PP Fiber in different time

使用50%硅烷偶联剂，以及二甲苯改性聚丙烯纤维作为原料进行改性可以发现，使用硅烷偶联剂后的的纤维，在波数3 300 cm-1左右处出现了由于氧氢键(O-H)的伸缩振动而形成的吸收带，在波数大约1 720 cm-1处出现了碳氧双键(C=O)的特征吸收峰。这表明硅烷偶联剂的改性作用给纤维表面带来了极性基团。但不同时间梯度的硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维间的对比不够明显，尤其是在波数1 720 cm-1左右的羰基特征吸收峰，并没有明显的递增出现。表明改性的效果是限的。

2.2 扫描电镜分析

聚丙烯纤维改性前后的纤维表面形貌的扫描电镜图如图5所示：

图5 PP纤维原样表面SEM图与硅烷偶联剂改性PP纤维表面SEM图Fig 5 The SEM images of KH-570 modify PP Fiber and PP Fiber

图5中a为1000倍PP纤维原样；b为1000倍50%硅烷偶联剂30 min改性PP纤维；c为2000倍PP纤维原样；d为2000倍50%硅烷偶联剂30 min，改性PP纤维从照片中观察可以清晰的看到改性前后纤维的表面明显不同的变化。改性前的聚丙烯纤维原样表面较为光滑；改性后的纤维表面明显变的粗糙，从图5中观察能够了解到，改性后纤维表面明细粗糙的原因有两个：一是纤维表面出现了较深的凹坑；二是改性过后纤维表面明显的有硅烷偶联剂包附于纤维表面。以上的现象表明，聚丙烯纤维能够使用硅烷偶联剂进行改进，且硅烷偶联剂也能够包附于纤维表面从而达到预期的改性效果。

2.3 接触角分析

随着改性时间的增长，纤维表面的粗糙有一定程度上的减小，变的光滑，这可能是硅烷偶联剂自水解后黏着在纤维表面，使得纤维表面的卷丝状物大幅度的减少。使用JC2000C接触角测量仪对改性前后的聚丙烯纤维进行检测，结果如表2所示。

表2 不同时间硅烷偶联剂改性二甲苯聚丙烯纤维接触角检测Table 2 The Contact Angle test results of silane coupling agent modified polypropylene fiber

随着硅烷偶联剂该改性时间的增加，其接触角也逐渐减小，从110°能够降低到87°左右，说明硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维的效果较为明显。硅烷偶联剂改性时间长短，对改性后纤维的接触角是有影响的，由图6可知，在改性时间为30 min之前，改性纤维的接触角有较大幅度的减小；随着时间的增加，尤其是在超过了30 min之后，改性纤维的接触角变化逐渐趋于平缓，由于纤维改性程度是有限的，因此，改性逐渐趋于饱和。总的来说，使用50%硅烷偶联剂溶液改性PP纤维，在改性时间30 min之前，亲水性能增强的幅度较大，从110°减少到87°，而在60 min到120 min时，表面接触角的增强幅度趋于平缓，表明由于纤维表面的面积有限，结合在纤维表面的硅烷偶联剂的量接近于饱和，因而改性效果也趋于饱和。

3 结 论

通过以上实验我们能够了解到，使用硅烷偶联剂KH-570为表面改性剂对聚丙烯纤维表面进行亲水改性，硅烷偶联剂在聚丙烯纤维的表面发生了自水解反应，并包裹在了纤维的表面，通过硅烷偶联剂其自身的所带的极性亲水官能团，提高了聚丙烯纤维表面的亲水性能。未改性的聚丙烯纤维的接触角为112°，当KH570的用量为50%时，改性时间为120 min时，改性聚丙烯纤维的亲水性能最好接触角能达到87°。同时，硅烷偶联剂对聚丙烯纤维表面改性是有限的当改性剂的剂量与改性时间达到一定程度时，改性的效果将趋于饱和。

[1] 李志坤.聚丙烯纤维的表面改性及其在水泥基材料中的应用[D].重庆大学,2004.

[2] 石全,王立,俞豪杰,江山.聚丙烯(PP)纤维表面改性及其在混凝土中的应用[J].材料导报,2004,06:58～60.

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