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摘 要： 芳纶纤维作为一种重要的高性能有机纤维，以其优异的机械支撑性能和优良的热稳定性等优异的综合性能，受到国内外科学家和工程技术人员的广泛关注，本文对短时间（≤20h）紫外线辐射对芳纶纤维综合性能的影响进行了综合研究。将芳纶纤维经过UV处理，随着UV辐射时间的延长，芳纶纤维的整体力学性能呈降低趋势，但是强度仍保持在80.87%，断裂伸长率保持在88.74%，这不会对芳纶纤维的整体性能造成严重的影响；将芳纶纤维用多巴胺进行功能化后，对于强度来说，相对于没有经过功能化的芳纶纤维来说，进行功能化之后，强度与经过UV辐射处理后基本上持平，而伸长率有略微的提高，将紫外光辐射后的芳纶纤维浸泡在配制好的PH=8.5的500mL多巴胺溶液中二十四小时，在芳纶纤维的表面进行多巴胺功能化之后，力学性能整体上会有略微提高，这也许是因为多巴胺附着在芳纶纤维的表面之后，弥补了一些芳纶纤维的表面的缺陷，填补了芳纶纤维表面的一些沟壑，改善了芳纶纤维的表面活性的同时，还能够起到一部分增强的作用。然后再将表面有多巴胺镀层的芳纶纤维放在氧化石墨烯溶液中，利用多巴胺和氧化石墨烯之间的活化官能团反应，在芳纶纤维表面再镀上一层氧化石墨烯镀层，氧化石墨烯对紫外光有吸收作用，从而达到抗紫外辐射的目的。
关键词： 芳纶，抗紫外，多巴胺，功能化石墨烯
【中图分类号】 TB332 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）14-0293-03
一、芳纶纤维的概述
芳纶纤维是一种新型的专用合成纤维，芳纶纤维诞生于20 世纪60 年代后期，其全称是“芳香族聚酰胺纤维”，最初作为宇宙开发材料和重要的战略物资而鲜为人知。冷战结束后，芳纶纤维作为高科技纤维材料被大量用于民用领域。1966年，美国杜邦公司开始研究芳纶纤维，1972年，美国实现芳纶产业化，商品名为Kevlar，初期年产2000t，同年中国开始研究芳纶纤维，1981年和1985年我国分别通过了对芳纶1313和1414的鉴定，1987年，日本帝人公司实现对位芳纶产业化，1979年，韩国Kolon开始开发，2005年实现产业化，商品名Teracon，现年产1t，2008年中国基本实现芳纶工业化，年产300吨。
芳纶纤维作为一种高性能的高分子纤维，具有低密度、高韧性、高比强度、高模量等优点，在航空航天、导弹等领域已被成功地用作高性能复合材料的理想增强材料。给定芳纶纤维的机械性能取决于纤维的微观结构，随着纤维制造工艺而变化。目前，已经开发了许多使用已知纤维微结构特性来预测各种机械特性的模型。例如，NorthPool等人使用晶体PPTA的弹性性质和链取向角相对于纤维轴的分布的知识来预测给定纤维的模量。Rao等人得到了基于实验的模型，该模型确定了作为影响纤维模量的两个主要因素是链取向分布和晶体参数（纤维微观结构的结晶度的测量）。这些模型很好地预测了大多数等级的纤维的轴向纤维模量，并证明了如何利用纤维的微观结构来获得纤维力学性能的预测。
目前，生产芳纶纤维规模比较大的国家有美国、欧洲、日本、中国、俄罗斯等。中国相对于其他国家来说，芳纶纤维的开发利用起步较晚，但中国生产技术进步飞快，对芳纶纤维的需求量也大，所以，芳纶纤维在国内的发展速度还是较快的，中国现如今掌握了芳纶纤维的产业化生产技术，而且实现了规模化生产，芳纶纤维的生产工艺复杂，工艺流程长，生产过程涉及到多学科的理论知识，而我国对芳纶纤维的基础理论研究还不够系统，不够深入，高端产品质量不稳定，复合材料的界面研究不够深入且生产成本高。因此，为了能够提高我国芳纶纤维在国际市场上的竞争力，必须要进行深入的基础理论研究。
芳纶有两种最有价值的品种：首先，具有锯齿状排列的分子链的间位芳族聚酰胺纤维，在中国被称为芳族聚酰胺1313；一种是分子链线性排列的对位芳纶纤维，在中国称为芳纶1414。两种芳族聚酰胺纤维之间的主要区别在于苯环上酰胺和C原子之间键合位置的差异。芳纶纤维分子链按照一定的规则由苯环和酰胺基团排列，酰胺基团在苯环位置。具有良好的规整性，高度的结晶度，链上的氢原子和其他链上的酰胺对 C= O氢键， 当分子横向连接并沿着纤维的方向通过强共价键断裂时，它们裂解并分裂成许多更精细的单元。横向方向是较弱的氢键，并且当侧向压缩时纤维是分层的。结果，分子链难以旋转并处于拉伸状态，形成具有非常高模量的棒状结构。另外，由于苯环中的电子共轭作用，它具有化学稳定性，苯环的刚性和结晶，使其具有高温尺寸稳定性而无需高温分解。间位芳纶纤维可以通过间苯二甲酰氯和间苯二胺在低温下缩聚而制备。与间位芳纶相比，对位芳族聚酰胺具有更好的热稳定性，阻燃性，机械模量和耐化学性。 然而，对芳纶的加工条件很苛刻，因为它只溶于有害的强酸和无机盐的高极性溶剂中[10]。對位芳族聚酰胺是连接到连接器的对羟基苯甲酸酯。对位芳纶纤维的分子结构是一种刚性，准高聚物交联结构，具有较高的取向性和结晶性，以及链段的规则排列。在这种情况下，对芳纶纤维在燃烧过程中的形成有很好的影响，对位芳纶纤维具有良好的耐高温性和其他性能。 所以当它离开火焰时不会燃烧。芳纶纤维的阻燃性能取决于其自身的化学结构，因此它是一种永久性阻燃纤维，使用次数和洗涤次数会影响或失去阻燃性能。
芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有优异的机械性能（超高强度，高模量，耐高温，耐酸，耐碱，重量轻，绝缘，耐老化，寿命长等）的优点；芳纶纤维的发现被认为是物质世界中一个非常重要的历史过程。随着对位芳纶的逐渐了解，芳纶纤维被广泛应用于复合材料，防弹产品，建筑材料，特种防护服和电子设备等。
（1）工业领域中的应用。
由于芳纶纤维性能优异，可用于纤维保护，高温滤袋，汽车软管，轮胎， 音响炸弹布，动力传动带，输送带，转印印花毯，橡胶鞋底等。
（2）个体防护领域中的应用。 凯夫拉可以制成防弹衣，防弹头盔，防弹装甲等，消防服，消防面具，军警训练服和防割手套。
（3）民用领域中的应用。
芳纶可制成飞机，汽车和高速导轨的阻燃内饰和织物，逃生绳，阻燃窗帘，床罩，睡衣，桌布，围裙，微波炉手套等，芳纶也可以由芳纶纸制成，用于电机，变压器和电子设备的绝缘部件，并可以进一步加工成蜂窝结构。芳纶纤维还用于飞机，游艇，高速导轨和机动车的零部件。芳纶是一种柔性聚合物，具有比普通聚酯，棉花，尼龙等更高的断裂强度。手感柔软，可纺性好。芳纶加工完成后，可以满足不同领域防护服的要求。
（4）其他领域中的应用。
随着禁止在欧洲和美国使用石棉的环保运动的发展，芳族聚酰胺浆粕纤维已经得到迅速发展并逐渐取代石棉作为刹车片，成为离合器片和垫片的主要材料。
二、实验及测试表征
2.1实验药品及仪器
2.1.1实验药品
2.1.2 实验仪器
2.2制备对照纤维。
自购芳纶纤维，将其剪成长为2cm-4cm的纤维并放入烧杯中，向烧杯中倒入无水乙醇，放入超声波清洗机中连续清洗3小时，连续去除纺丝过程中的表面污渍，然后在80℃下在真空炉中干燥12小时，所得纤维将其编码为KF，是本研究的原始纤维（或对照纤维）。
2.3芳纶纤维的紫外辐射。
将芳纶纤维放入紫外线老化仪中，辐照x h，碳弧灯发射波长295～360 nm的紫外光。辐射室温度为（60±3）C，相对湿度为（50±1）RH%。然后在真空下干燥纤维。所得纤维设计为KF-UV-Xh，x=1，5，10，15和20。。
2.4抗紫外芳纶纤维的制备。
2.4.1多巴胺（DA）溶液的制备。
本次实验需要配制PH=8.5的500mLDA溶液，多巴胺水溶液处理：首先在实验室制备去离子水，配制浓度为2g/L的多巴胺水溶液，加入0.6gTris试剂使溶液的PH值至8.5。
2.4.2芳纶纤维的多巴胺溶液处理。
将无水乙醇清洗后的芳纶纤维和紫外辐射处理过的芳纶纤维分别放入6个装有多巴胺水溶液的烧杯中。室温下轻微搅拌，然后放置24h后将纤维分别取出，用去离子水清洗多次，放入干燥箱中烘干备用。所得纤维编码为KF-UV-PDA-Xh（X=0，1，5，10，15，20）
2.4.3 氧化石墨烯涂覆芳纶纤维。
将石墨烯氧化后溶于溶剂，再将涂覆了多巴胺溶液的芳纶纤维用氧化石墨烯涂覆，进行石墨烯改性，本实验由于石墨烯团聚和粒径问题，不能将石墨烯镀在芳纶纤维表面。
2.5测量与表征
2.5.1红外分析（ATR-FTIR）。
傅里叶变换红外研究不同处理方法下芳纶纤维表面官能团的变化，分析采用美国赛默飞公司的Nicolet iS50FT-IR 的衰减全反射红外（ATR， attenuated total refractance）模式，扫描次数为 32 次，分辨率为 4cm 测试样品表层化学成分结构。
下图代表的是芳纶纤维、经过UV辐射和镀上多巴胺的红外光谱图。在1220 cm-1 处出现的峰是酚在1300 cm-1～1200cm-1区域内的C-O伸缩振动吸收峰[56][57][58]，这个峰在芳纶纤维中是不存在的，所以能够证明PDA成功镀在芳纶纤维的表面上了，接下来会通过扫描电镜来进一步进行验证。
2.5.2扫描电镜分析（SEM）。
处理前后纤维表面形貌采用美国FEI Instruments公司生产的Quanta FEG 250扫描电子显微镜进行观察，所有观察试样均预先进行喷金。
从上面的扫描电镜的图像可得知：水洗后的芳纶纤维表面很光滑，但经过UV辐射处理后的芳纶纤维的表面明显有丝状物翘起，这是由芳纶纤维表层被破坏引起的，但是没有对芳纶纤维的内部结构造成影响，使得芳纶纤维的表面粗糙了。
对应的镀上PDA的扫描电镜图像如下：
从上图可以看出：在芳纶纤维的表面有一些颗粒状物甚至有很多地方出现了连续的镀层，这进一步表明PDA成功镀在了芳纶纤维的表面上。芳纶纤维经过UV辐射处理之后，再浸入多巴胺溶液里面，很成功地将聚多巴胺镀在了芳纶纤维的表面，特别是当UV辐射时间为20h时，镀层非常明显。
2.5.3力学分析（單丝拉伸测试）。
纤维的力学性能在 XQ-1 型纤维强力仪上按照 GB14337—2008 在室温下以拉伸速率为10mm/min，夹持距离为 20mm进行测试，每个样本由 50 个有效值组成。测试中，因处理前后导致纤维的直径变化被忽略。
上图是做单丝拉伸时形成的图像，显示的是20组有效的数据，代表的是负荷和伸长率之间的曲线，能够很清楚地看出芳纶纤维从拉伸到断裂整个过程的负荷随着伸长率之间的变化关系。
图2.15、图2.16分别表示的是芳纶纤维在经过UV辐射处理、进行多巴胺功能化后与未改性的芳纶纤维之间的强度、断裂伸长率随着UV辐射时间的关系。从图2.15、图2.16中，我们可以看出：将芳纶纤维经过UV处理，随着UV辐射时间的延长，芳纶纤维的整体力学性能呈降低趋势，但是强度仍保持在80.87%，断裂伸长率保持在88.74%，这不会对芳纶纤维的整体性能造成严重的影响；将芳纶纤维用多巴胺进行功能化后，对于强度来说，相对于没有经过功能化的芳纶纤维来说，进行功能化之后，强度与经过UV辐射处理后基本上持平，而伸长率有略微的提高，在芳纶纤维的表面进行多巴胺功能化之后，力学性能整体上会有略微提高，这也许是因为多巴胺附着在芳纶纤维的表面之后，弥补了一些芳纶纤维的表面的缺陷，填补了芳纶纤维表面的一些沟壑，改善了芳纶纤维的表面活性的同时，还能够起到一部分增强的作用。 2.5.4原子力显微镜。
用原子力显微镜对分散制得的石墨烯微片进行厚度测试。采用美国Bruker Bruker Dimension ICON 进行粒径测试。扫描范围是5～10 um，精度是512 points。模式：采用ScanAsyst in Air进行测试。
图2.17代表的是石墨烯二维高度图，图2.18代表的是石墨烯的三维高度图。从图中可以看出石墨烯微片的粒径分布情况，最高的粒径是11nm。但是从图2.17中很容易可以看出，石墨烯存在比较明显的团聚现象，几乎看不到片层，这给后面的氧化实验带来了很大的挑战。这是最后没有将氧化石墨烯镀在芳纶纤维上面的关键所在。接下来我们将继续去改进实验步骤，解决石墨烯的团聚难题以及粒径的问题。
三 结论、创新及展望
3.1 结论。
本实验进行中始终以绿色环保为核心，以探索出最简单、低成本的制备工艺为目的，以改变人类生产生活为宗旨。
主要研究结论如下：
（1）芳纶纤维经UV辐射处理后，再浸入多巴胺溶液里面，经扫描电镜和红外分析，聚多巴胺成功地镀在了芳纶纤维的表面，进一步说明UV辐射能改善芳纶纤维表面惰性。
（2）经扫描电镜分析，UV辐射时间越长，聚多巴胺镀层越明显。
（3）经单丝拉伸测试分析，UV辐射处理后的芳纶纤维随辐射时间延长，整体力学性能下降，将芳纶纤维表面进行多巴胺功能化之后，整體力学性能略微提高。
3.2 创新性。
本次实验研究的创新点有：
（1）使用紫外线辐射处理芳纶纤维；
（2）充分利用多巴胺的粘附性，使用多巴胺溶液浸渍法改性芳纶纤维；
（3）经过紫外光的短时间辐射，初步改善芳纶纤维的表面性能，然后放入多巴胺溶液中，镀上一层聚多巴胺层，进一步改善芳纶纤维的表面性能。
3.3 展望。
由于时间、实验条件及作者本人研究水平的限制，本研究工作中还有很多尚未完善的地方，有待进一步的探究，经过我们的加工步骤，制得的石墨烯出现团聚现象，粒径也大，这两者综合起来，使得氧化石墨烯很难镀在芳纶纤维上面，这也是未来在研究氧化石墨烯在抗紫外芳纶纤维制备中的应用所主要攻克的难题，将氧化石墨烯镀在芳纶纤维上面之后，测试其性能，主要是力学性能，再用扫描电镜测试，分析表面情况。
参考文献
[1] 姚利丽， 周志嵩， 朱晨露，等. 芳纶纤维及其复合材料的研究进展[J]. 橡胶科技， 2018， 16（3）.
[2] M. Northolt， J. van Aartsen， Chain orientation distribution and elastic properties of poly （p-phenylene terephthalamide）， a ”rigid rod” polymer， J. Polym.Sci. Polym. Symposium 58 （1977） 283e296.
[3] M. Northolt， Tensile deformation of poly（p-phenylene terephthalamide） fibres，an experimental and theoretical analysis， Polymer 21 （1980） 1199e1204.
[4] M. Northolt， R. van der Hout， Elastic extension of an oriented crystalline fibre，Polymer 26 （1985） 310e316.
[5] Y. Rao， A. Waddon， R. Farris， Structure-property relation in poly （p-phenylene terephthalamide） （PPTA） fibers， Polymer 42 （2001） 5937e5946.
[6] H. Blades， "Dry-Jet Wet Spinning Process". United States of America Patent 3，767，756， 30 June 1973.
[7] H. Yang， Kevlar Aramid Fiber， John Wiley & Sons Ltd.， 1993.
[8] 周珏， 刘玉. 国产芳纶复合材料的性能与应用： 第二十届全国玻璃钢/复合材料学术交流会暨中国玻璃钢/复合材料学科建设、学术发展40年回顾与展望活动， 中国湖北武汉， 2014[C].
关键词： 芳纶，抗紫外，多巴胺，功能化石墨烯
【中图分类号】 TB332 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）14-0293-03
一、芳纶纤维的概述
芳纶纤维是一种新型的专用合成纤维，芳纶纤维诞生于20 世纪60 年代后期，其全称是“芳香族聚酰胺纤维”，最初作为宇宙开发材料和重要的战略物资而鲜为人知。冷战结束后，芳纶纤维作为高科技纤维材料被大量用于民用领域。1966年，美国杜邦公司开始研究芳纶纤维，1972年，美国实现芳纶产业化，商品名为Kevlar，初期年产2000t，同年中国开始研究芳纶纤维，1981年和1985年我国分别通过了对芳纶1313和1414的鉴定，1987年，日本帝人公司实现对位芳纶产业化，1979年，韩国Kolon开始开发，2005年实现产业化，商品名Teracon，现年产1t，2008年中国基本实现芳纶工业化，年产300吨。
芳纶纤维作为一种高性能的高分子纤维，具有低密度、高韧性、高比强度、高模量等优点，在航空航天、导弹等领域已被成功地用作高性能复合材料的理想增强材料。给定芳纶纤维的机械性能取决于纤维的微观结构，随着纤维制造工艺而变化。目前，已经开发了许多使用已知纤维微结构特性来预测各种机械特性的模型。例如，NorthPool等人使用晶体PPTA的弹性性质和链取向角相对于纤维轴的分布的知识来预测给定纤维的模量。Rao等人得到了基于实验的模型，该模型确定了作为影响纤维模量的两个主要因素是链取向分布和晶体参数（纤维微观结构的结晶度的测量）。这些模型很好地预测了大多数等级的纤维的轴向纤维模量，并证明了如何利用纤维的微观结构来获得纤维力学性能的预测。
目前，生产芳纶纤维规模比较大的国家有美国、欧洲、日本、中国、俄罗斯等。中国相对于其他国家来说，芳纶纤维的开发利用起步较晚，但中国生产技术进步飞快，对芳纶纤维的需求量也大，所以，芳纶纤维在国内的发展速度还是较快的，中国现如今掌握了芳纶纤维的产业化生产技术，而且实现了规模化生产，芳纶纤维的生产工艺复杂，工艺流程长，生产过程涉及到多学科的理论知识，而我国对芳纶纤维的基础理论研究还不够系统，不够深入，高端产品质量不稳定，复合材料的界面研究不够深入且生产成本高。因此，为了能够提高我国芳纶纤维在国际市场上的竞争力，必须要进行深入的基础理论研究。
芳纶有两种最有价值的品种：首先，具有锯齿状排列的分子链的间位芳族聚酰胺纤维，在中国被称为芳族聚酰胺1313；一种是分子链线性排列的对位芳纶纤维，在中国称为芳纶1414。两种芳族聚酰胺纤维之间的主要区别在于苯环上酰胺和C原子之间键合位置的差异。芳纶纤维分子链按照一定的规则由苯环和酰胺基团排列，酰胺基团在苯环位置。具有良好的规整性，高度的结晶度，链上的氢原子和其他链上的酰胺对 C= O氢键， 当分子横向连接并沿着纤维的方向通过强共价键断裂时，它们裂解并分裂成许多更精细的单元。横向方向是较弱的氢键，并且当侧向压缩时纤维是分层的。结果，分子链难以旋转并处于拉伸状态，形成具有非常高模量的棒状结构。另外，由于苯环中的电子共轭作用，它具有化学稳定性，苯环的刚性和结晶，使其具有高温尺寸稳定性而无需高温分解。间位芳纶纤维可以通过间苯二甲酰氯和间苯二胺在低温下缩聚而制备。与间位芳纶相比，对位芳族聚酰胺具有更好的热稳定性，阻燃性，机械模量和耐化学性。 然而，对芳纶的加工条件很苛刻，因为它只溶于有害的强酸和无机盐的高极性溶剂中[10]。對位芳族聚酰胺是连接到连接器的对羟基苯甲酸酯。对位芳纶纤维的分子结构是一种刚性，准高聚物交联结构，具有较高的取向性和结晶性，以及链段的规则排列。在这种情况下，对芳纶纤维在燃烧过程中的形成有很好的影响，对位芳纶纤维具有良好的耐高温性和其他性能。 所以当它离开火焰时不会燃烧。芳纶纤维的阻燃性能取决于其自身的化学结构，因此它是一种永久性阻燃纤维，使用次数和洗涤次数会影响或失去阻燃性能。
芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有优异的机械性能（超高强度，高模量，耐高温，耐酸，耐碱，重量轻，绝缘，耐老化，寿命长等）的优点；芳纶纤维的发现被认为是物质世界中一个非常重要的历史过程。随着对位芳纶的逐渐了解，芳纶纤维被广泛应用于复合材料，防弹产品，建筑材料，特种防护服和电子设备等。
（1）工业领域中的应用。
由于芳纶纤维性能优异，可用于纤维保护，高温滤袋，汽车软管，轮胎， 音响炸弹布，动力传动带，输送带，转印印花毯，橡胶鞋底等。
（2）个体防护领域中的应用。 凯夫拉可以制成防弹衣，防弹头盔，防弹装甲等，消防服，消防面具，军警训练服和防割手套。
（3）民用领域中的应用。
芳纶可制成飞机，汽车和高速导轨的阻燃内饰和织物，逃生绳，阻燃窗帘，床罩，睡衣，桌布，围裙，微波炉手套等，芳纶也可以由芳纶纸制成，用于电机，变压器和电子设备的绝缘部件，并可以进一步加工成蜂窝结构。芳纶纤维还用于飞机，游艇，高速导轨和机动车的零部件。芳纶是一种柔性聚合物，具有比普通聚酯，棉花，尼龙等更高的断裂强度。手感柔软，可纺性好。芳纶加工完成后，可以满足不同领域防护服的要求。
（4）其他领域中的应用。
随着禁止在欧洲和美国使用石棉的环保运动的发展，芳族聚酰胺浆粕纤维已经得到迅速发展并逐渐取代石棉作为刹车片，成为离合器片和垫片的主要材料。
二、实验及测试表征
2.1实验药品及仪器
2.1.1实验药品
2.1.2 实验仪器
2.2制备对照纤维。
自购芳纶纤维，将其剪成长为2cm-4cm的纤维并放入烧杯中，向烧杯中倒入无水乙醇，放入超声波清洗机中连续清洗3小时，连续去除纺丝过程中的表面污渍，然后在80℃下在真空炉中干燥12小时，所得纤维将其编码为KF，是本研究的原始纤维（或对照纤维）。
2.3芳纶纤维的紫外辐射。
将芳纶纤维放入紫外线老化仪中，辐照x h，碳弧灯发射波长295～360 nm的紫外光。辐射室温度为（60±3）C，相对湿度为（50±1）RH%。然后在真空下干燥纤维。所得纤维设计为KF-UV-Xh，x=1，5，10，15和20。。
2.4抗紫外芳纶纤维的制备。
2.4.1多巴胺（DA）溶液的制备。
本次实验需要配制PH=8.5的500mLDA溶液，多巴胺水溶液处理：首先在实验室制备去离子水，配制浓度为2g/L的多巴胺水溶液，加入0.6gTris试剂使溶液的PH值至8.5。
2.4.2芳纶纤维的多巴胺溶液处理。
将无水乙醇清洗后的芳纶纤维和紫外辐射处理过的芳纶纤维分别放入6个装有多巴胺水溶液的烧杯中。室温下轻微搅拌，然后放置24h后将纤维分别取出，用去离子水清洗多次，放入干燥箱中烘干备用。所得纤维编码为KF-UV-PDA-Xh（X=0，1，5，10，15，20）
2.4.3 氧化石墨烯涂覆芳纶纤维。
将石墨烯氧化后溶于溶剂，再将涂覆了多巴胺溶液的芳纶纤维用氧化石墨烯涂覆，进行石墨烯改性，本实验由于石墨烯团聚和粒径问题，不能将石墨烯镀在芳纶纤维表面。
2.5测量与表征
2.5.1红外分析（ATR-FTIR）。
傅里叶变换红外研究不同处理方法下芳纶纤维表面官能团的变化，分析采用美国赛默飞公司的Nicolet iS50FT-IR 的衰减全反射红外（ATR， attenuated total refractance）模式，扫描次数为 32 次，分辨率为 4cm 测试样品表层化学成分结构。
下图代表的是芳纶纤维、经过UV辐射和镀上多巴胺的红外光谱图。在1220 cm-1 处出现的峰是酚在1300 cm-1～1200cm-1区域内的C-O伸缩振动吸收峰[56][57][58]，这个峰在芳纶纤维中是不存在的，所以能够证明PDA成功镀在芳纶纤维的表面上了，接下来会通过扫描电镜来进一步进行验证。
2.5.2扫描电镜分析（SEM）。
处理前后纤维表面形貌采用美国FEI Instruments公司生产的Quanta FEG 250扫描电子显微镜进行观察，所有观察试样均预先进行喷金。
从上面的扫描电镜的图像可得知：水洗后的芳纶纤维表面很光滑，但经过UV辐射处理后的芳纶纤维的表面明显有丝状物翘起，这是由芳纶纤维表层被破坏引起的，但是没有对芳纶纤维的内部结构造成影响，使得芳纶纤维的表面粗糙了。
对应的镀上PDA的扫描电镜图像如下：
从上图可以看出：在芳纶纤维的表面有一些颗粒状物甚至有很多地方出现了连续的镀层，这进一步表明PDA成功镀在了芳纶纤维的表面上。芳纶纤维经过UV辐射处理之后，再浸入多巴胺溶液里面，很成功地将聚多巴胺镀在了芳纶纤维的表面，特别是当UV辐射时间为20h时，镀层非常明显。
2.5.3力学分析（單丝拉伸测试）。
纤维的力学性能在 XQ-1 型纤维强力仪上按照 GB14337—2008 在室温下以拉伸速率为10mm/min，夹持距离为 20mm进行测试，每个样本由 50 个有效值组成。测试中，因处理前后导致纤维的直径变化被忽略。
上图是做单丝拉伸时形成的图像，显示的是20组有效的数据，代表的是负荷和伸长率之间的曲线，能够很清楚地看出芳纶纤维从拉伸到断裂整个过程的负荷随着伸长率之间的变化关系。
图2.15、图2.16分别表示的是芳纶纤维在经过UV辐射处理、进行多巴胺功能化后与未改性的芳纶纤维之间的强度、断裂伸长率随着UV辐射时间的关系。从图2.15、图2.16中，我们可以看出：将芳纶纤维经过UV处理，随着UV辐射时间的延长，芳纶纤维的整体力学性能呈降低趋势，但是强度仍保持在80.87%，断裂伸长率保持在88.74%，这不会对芳纶纤维的整体性能造成严重的影响；将芳纶纤维用多巴胺进行功能化后，对于强度来说，相对于没有经过功能化的芳纶纤维来说，进行功能化之后，强度与经过UV辐射处理后基本上持平，而伸长率有略微的提高，在芳纶纤维的表面进行多巴胺功能化之后，力学性能整体上会有略微提高，这也许是因为多巴胺附着在芳纶纤维的表面之后，弥补了一些芳纶纤维的表面的缺陷，填补了芳纶纤维表面的一些沟壑，改善了芳纶纤维的表面活性的同时，还能够起到一部分增强的作用。 2.5.4原子力显微镜。
用原子力显微镜对分散制得的石墨烯微片进行厚度测试。采用美国Bruker Bruker Dimension ICON 进行粒径测试。扫描范围是5～10 um，精度是512 points。模式：采用ScanAsyst in Air进行测试。
图2.17代表的是石墨烯二维高度图，图2.18代表的是石墨烯的三维高度图。从图中可以看出石墨烯微片的粒径分布情况，最高的粒径是11nm。但是从图2.17中很容易可以看出，石墨烯存在比较明显的团聚现象，几乎看不到片层，这给后面的氧化实验带来了很大的挑战。这是最后没有将氧化石墨烯镀在芳纶纤维上面的关键所在。接下来我们将继续去改进实验步骤，解决石墨烯的团聚难题以及粒径的问题。
三 结论、创新及展望
3.1 结论。
本实验进行中始终以绿色环保为核心，以探索出最简单、低成本的制备工艺为目的，以改变人类生产生活为宗旨。
主要研究结论如下：
（1）芳纶纤维经UV辐射处理后，再浸入多巴胺溶液里面，经扫描电镜和红外分析，聚多巴胺成功地镀在了芳纶纤维的表面，进一步说明UV辐射能改善芳纶纤维表面惰性。
（2）经扫描电镜分析，UV辐射时间越长，聚多巴胺镀层越明显。
（3）经单丝拉伸测试分析，UV辐射处理后的芳纶纤维随辐射时间延长，整体力学性能下降，将芳纶纤维表面进行多巴胺功能化之后，整體力学性能略微提高。
3.2 创新性。
本次实验研究的创新点有：
（1）使用紫外线辐射处理芳纶纤维；
（2）充分利用多巴胺的粘附性，使用多巴胺溶液浸渍法改性芳纶纤维；
（3）经过紫外光的短时间辐射，初步改善芳纶纤维的表面性能，然后放入多巴胺溶液中，镀上一层聚多巴胺层，进一步改善芳纶纤维的表面性能。
3.3 展望。
由于时间、实验条件及作者本人研究水平的限制，本研究工作中还有很多尚未完善的地方，有待进一步的探究，经过我们的加工步骤，制得的石墨烯出现团聚现象，粒径也大，这两者综合起来，使得氧化石墨烯很难镀在芳纶纤维上面，这也是未来在研究氧化石墨烯在抗紫外芳纶纤维制备中的应用所主要攻克的难题，将氧化石墨烯镀在芳纶纤维上面之后，测试其性能，主要是力学性能，再用扫描电镜测试，分析表面情况。
参考文献
[1] 姚利丽， 周志嵩， 朱晨露，等. 芳纶纤维及其复合材料的研究进展[J]. 橡胶科技， 2018， 16（3）.
[2] M. Northolt， J. van Aartsen， Chain orientation distribution and elastic properties of poly （p-phenylene terephthalamide）， a ”rigid rod” polymer， J. Polym.Sci. Polym. Symposium 58 （1977） 283e296.
[3] M. Northolt， Tensile deformation of poly（p-phenylene terephthalamide） fibres，an experimental and theoretical analysis， Polymer 21 （1980） 1199e1204.
[4] M. Northolt， R. van der Hout， Elastic extension of an oriented crystalline fibre，Polymer 26 （1985） 310e316.
[5] Y. Rao， A. Waddon， R. Farris， Structure-property relation in poly （p-phenylene terephthalamide） （PPTA） fibers， Polymer 42 （2001） 5937e5946.
[6] H. Blades， "Dry-Jet Wet Spinning Process". United States of America Patent 3，767，756， 30 June 1973.
[7] H. Yang， Kevlar Aramid Fiber， John Wiley & Sons Ltd.， 1993.
[8] 周珏， 刘玉. 国产芳纶复合材料的性能与应用： 第二十届全国玻璃钢/复合材料学术交流会暨中国玻璃钢/复合材料学科建设、学术发展40年回顾与展望活动， 中国湖北武汉， 2014[C].