Die Anwendung von Para-Aramid ist mit drei Hauptproblemen verbunden: mangelnde UV-Beständigkeit, geringe axiale Druckfestigkeit und schlechte Harzhaftung. Diese Nachteile schränken die Anwendung von Para-Aramid in Verbundwerkstoffen und anderen Bereichen ein.
Die Anwendung von Para-Aramid ist mit drei Hauptproblemen verbunden: mangelnde UV-Beständigkeit, geringe axiale Druckfestigkeit und schlechte Harzhaftung. Diese Nachteile schränken die Anwendung von Para-Aramid in Verbundwerkstoffen und anderen Bereichen ein.
Der Anwendungsbereich von Para-Aramid macht es unvermeidlich, es über einen längeren Zeitraum im Freien zu verwenden. Daher ist es sehr wichtig, seine UV-Beständigkeit zu verbessern. Die geringe UV-Beständigkeit von Aramid ist auf das Vorhandensein einer großen Anzahl von Benzolringen und Carbonylgruppen in der Struktur zurückzuführen. Diese konjugierte Struktur absorbiert UV-Energie und führt zum Aufbrechen der Amidbindung. Es gibt viele Studien zur Verbesserung der UV-Beständigkeit von Aramid. Gängige Methoden sind das Beschichten der Faseroberfläche, das Aufpfropfen von UV-Absorbern oder UV-Schutzmitteln usw. Beispielsweise werden TiO2 und ZnO auf die Faseroberfläche aufgebracht. Das Prinzip besteht darin, UV-Strahlen durch TiO2 oder ZnO zu streuen und so die Absorption von UV-Strahlen durch den Faserkörper zu verringern. Studien haben gezeigt, dass die Kevlar-Faser mit auf die Oberfläche aufgepfropftem Nano-TiO2 nach 168 Stunden UV-Bestrahlung immer noch 90 % ihrer Zugfestigkeit behält, während die Zugfestigkeit der unbehandelten Kevlar-Faser nach der gleichen Bestrahlung nur 75 % beträgt.
Ein weiterer Nachteil von Para-Aramid als Verbundverstärkung ist seine geringe axiale Druckfestigkeit. Die Druckfestigkeit von Aramid beträgt in der Regel 200–400 MPa, was weniger als einem Zehntel seiner Zugfestigkeit und weit unter der Druckfestigkeit von Kohlenstofffasern (> 1,0 GPa) liegt, was seine Anwendung in Verbundwerkstoffen und anderen Bereichen einschränkt. Viele Wissenschaftler haben umfangreiche Forschungen zur Verbesserung der axialen Druckfestigkeit von Aramid durchgeführt, beispielsweise durch Wärmebehandlung über 400 °C zur Vernetzung der Fasern. Obwohl die Druckfestigkeit der Fasern nach der Wärmebehandlung um mehr als das 2,5-fache zunahm, nahm ihre Zugfestigkeit stark ab, was darauf hindeutet, dass die makromolekulare Kette während des Wärmebehandlungsprozesses einen gewissen Abbau erfuhr. Einige Forscher führten auch direkt durch Copolymerisation vernetzbare Gruppen in die makromolekulare Kette ein. Tao Jiang et al. führten die bei hohen Temperaturen vernetzbare Benzocyclobuten (XTA)-Struktur durch Copolymerisation in die makromolekulare PPTA-Kette ein. Oberhalb von 320 °C begann die Benzocyclobutenstruktur zu vernetzen, und der Vernetzungsgrad nahm mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur und -dauer allmählich zu. Nachdem die PPTA-co-XTA-Faser 10 s lang bei 330 °C behandelt worden war, waren im Inneren der Faser noch zahlreiche Mikrofibrillen vorhanden. Nach 120 s lang bei 410 °C war der Querschnitt der Faser jedoch flach und glatt, und es wurden keine Mikrofibrillen mehr festgestellt, was darauf hindeutet, dass zwischen den Mikrofibrillen eine große Vernetzungsstruktur aufgetreten war. Die Prüfung der mechanischen Eigenschaften zeigte jedoch, dass die Zugfestigkeit der Faser nach der Vernetzung deutlich abnahm. Dies liegt daran, dass der Hochtemperatur-Vernetzungsprozess unvermeidlich einen gewissen Grad an Abbau mit sich bringt, wodurch die Zugfestigkeit abnimmt.
Schematische Darstellung des Prinzips der TiO2-Oberflächenmodifizierung von Parafasern zur Verbesserung der UV-Beständigkeit
Manche Autoren schlagen auch vor, die Faseroberfläche mit einer Schicht aus anorganischem Material mit hoher Druckfestigkeit, beispielsweise SiC, zu beschichten. Die Beschichtung selbst beeinflusst jedoch die Benetzbarkeit der Faser mit dem Harz, und ihre Dicke beeinflusst ihre Zähigkeit. Eine weitere häufig verwendete Methode ist die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen. Beispielsweise wird die in Russland hergestellte Armos-Faser durch die Einführung von Diaminmonomeren mit Benzimidazolstruktur ternär copolymerisiert. Die Wasserstoffbrücken zwischen den makromolekularen Ketten werden verstärkt, und die Druckfestigkeit ist 1,39-mal so hoch wie die von VICWA-Aramidfasern. Die weitere Verbesserung der Druckfestigkeit von Para-Aramid stellt jedoch nach wie vor ein großes Problem dar.
Ein weiterer Nachteil von Para-Aramid als Verbundverstärkung besteht in der schlechten Haftung am Matrixharz, die eine Oberflächenmodifizierung der Faser erfordert. Gängige Methoden sind chemisches Pfropfen, Plasmabehandlung, Bestrahlung, chemisches Ätzen und Direktfluorierung. Die Direktfluorierungstechnologie ist eine relativ effektive Oberflächenbehandlungsmethode, die sich in den letzten Jahren herausgebildet hat.
