太原理工大學何宏偉SURF INTERFACES：類多巴胺沉積層對聚酯纖維的改性處理實現高效橡膠粘附

成果簡介

引言：RFL浸漬改性是能提高聚酯（PET）纖維與橡膠基體界面粘合性能的重要改性手段。然而由于聚酯纖維表面具有化學惰性，且光滑，RFL對PET纖維的改性效果不理想。因此對纖維表面進行預處理，雖然之前的研究中對PET纖維常采用傳統處理方法，如：酸/堿刻蝕、高能射線輻照接枝等，但處理過程中反應較難控制，且成本較高，對纖維會造成難以避免的損傷。因此探究一種不損傷纖維的改性方法顯得尤為重要。科研人員發現巴胺的強黏附性是由于其含有的羥基與氨基的巨大作用，基于此我們提出了一種類多巴改性方案。

正文

近日，太原理工大學何宏偉副教授在《Surfaces and Interfaces》期刊上發表了題為A dopamine-like deposition coatings on the polyethylene terephthalate fibers and its interface adhesion with rubber的文章。本研究成功設計了一種對纖維具有補強作用且能提高RFL浸漬效果的界面改性方法。通過在纖維表面構建一個類多巴胺的功能化平臺，并接枝環氧基團，提高纖維表面粗糙度與活性，同時環氧基團的接枝能使纖維與膠乳中的巰基發生開環結合，從而增強與橡膠的界面粘合。

從改性層構建的影響因素（鄰苯二酚（CA）與三乙烯四胺(TETA)的摩爾比例、浸泡處理時間和接枝環氧化合物）對改性工藝做出優化，同時為了證明改性對纖維造成的影響，對改性纖維進行了熱學性能、力學性能以及纖維與橡膠基體的粘合性能測試，進一步優化工藝。對鄰苯二酚與三乙烯四胺結合接枝環氧化合物的纖維改性機理做出說明，鄰苯二酚可被氧化為鄰苯二醌，之后由于化學作用（邁克爾加成反應與希夫堿效應）與三乙烯四胺進行結合構建酚胺網絡結構層（PCPA）。并通過開環反應在結構層表面接枝環氧基團，增加纖維表面的粗糙度及表面活性。同時圖1b表明改性沉積層中的相互作用，如：氫鍵、離子鍵、π-π鍵、陽離子-π鍵。

圖1酚胺沉積層的構建機制及層間相互作用

通過對酚胺（CA/TETA）改性溶液進行紫外分析，探究紫外光照射對酚胺改性溶液的影響。得知酚胺溶液中醌的含量隨著時間的延長逐漸增加。同時證明了紫外光照射能加速酚的氧化，促進酚胺反應的發生，如圖2所示。

圖2?CA/TETA 溶液的紫外可見吸收光譜。(a) 紫外線照射下不同時間的吸光度；(b) 有無紫外線照射（90 min）時 360 納米波長的吸光度

通過拉伸性能測試，表征改性對纖維力學性能造成的影響，如圖3所示，當CA：TETA比例為3：1、1：0時纖維力學性能損失較小，然而CA：TETA比例為3：1時，進一步提升空間較大。PET-PCPA改性增加纖維的斷裂伸長率不利于纖維的尺寸穩定性，接枝GTE改變了這種不利現象，同時纖維力學性能相比于未改性提高了13.94%。

圖3不同改性因素下纖維的拉伸斷裂強力及其載荷-位移曲線：（a）CA/TETA比例；（b）紫外照射下浸泡處理時間；（c）PET、PET-PCPA、PET-PCPA-TGIC、PET-PCPA-GTE；（d） PET、PET-PCPA、PET-PCPA-TGIC、PET-PCPA-GTE載荷-位移曲線

對改性纖維進行XPS表征分析，如圖4所示，通過C、O、N元素的含量及相應鍵的變化，得到纖維表面沉積層成分發生變化，證明了改性工藝過程的逐步變化。?

圖4改性前后纖維的XPS全譜與C1s譜圖（a）PET;（b）PET-CA;（c）PET-PCPA;（d）PET-PCPA-TGIC;（e）PET-PCPA-GTE

通過掃描電鏡測試表征了不同改性工藝對纖維表面及其與橡膠基體的剝離狀態的影響。PET-PCPA-GTE改性纖維表面具有完整連續的沉積層存在，此時的纖維與橡膠的界面粘合性能最好。利用SEM-EDS對改性纖維表面局部聚集體和改性纖維截面分別進行點掃描分析和線掃描分析，用不存在于纖維中的N元素的含量變化證明了改性沉積層PCPA-GTE的存在，如圖5所示。

圖5?(a) PET-PCPA-GTE 表面局部聚集體的 SEM 和 EDX?分析；(b) PET-PCPA-GTE的 SEM 圖像和N的線掃描剖面圖。

通過改性前后纖維與橡膠基體的剝離強度測試，發現CA:TETA比例為3：1、浸泡處理時間為2 h、PCPA表面接枝GTE時，纖維與橡膠基體的剝離強度最大，達到14.13 N/mm，相比于未改性纖維提高了41.44%，如圖6所示。

圖6不同改性因素下纖維橡膠復合材料的剝離強度及其載荷-位移曲線（a）CA/TETA比例；（b）紫外照射下浸泡處理時間;（c）PET、PET-PCPA、PET-PCPA-TGIC、PET-PCPA-GTE；（d）PET、PET-PCPA、PET-PCPA-TGIC、PET-PCPA-GTE的載荷-位移曲線

文章第一作者為太原理工大學材料科學與工程學院在讀碩士研究生楊澤光，通訊作者為何宏偉副教授。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104485