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聚酰亚胺纤维是一种新型的高性能有机纤维,由于其分子结构刚性高、结构致密、取向度高等使得其具有优异的力学性能、耐热性能、环境稳定性及优良的介电性能,与目前广泛使用的玻璃纤维、芳纶纤维等相比,具有密度低、使用温度高等优势,故有望在树脂基复合材料、高性能绳索、线缆等高技术领域得到广泛的应用。但聚酰亚胺纤维作为一种新型纤维,人们对其表面特性和界面性能还缺乏系统的认识,而这些结果对制备性能优良的聚酰亚胺纤维与其他材料的复合体系尤为重要。聚酰亚胺纤维表面光滑,与树脂复合时界面粘结性能差,导致复合材料力学性能较低,所以对聚酰亚胺纤维表面进行改性研究是非常必要的。本论文对四种含氮杂环聚酰亚胺纤维(PI-1和PI-2为共聚型,相较于PI-1,PI-2主链含有活泼氢;PI-3和PI-4为均聚型,相较于PI-3,PI-4主链含有羟基官能团)进行改性。首先采用五种不同的表面处理方法(表面涂覆法、臭氧法、等离子体法、原子氧处理和偶联剂法)对PI-1和PI-2进行表面改性研究,然后,在偶联剂的基础上采用降冰片烯二酸酐(NA)二次处理方法对四种纤维进行改性,研究了纤维改性前后表面特性和与树脂(环氧树脂和聚酰亚胺树脂)界面粘结性能的变化。主要研究结果包括:1.表面涂覆改性聚酰亚胺纤维(PI-1和PI-2)采用不同浓度(0～2.50wt%)的SiO2溶胶对PI-1和PI-2进行表面改性,当处理浓度为2.50 wt%时,两种纤维表面粗糙度、氧元素含量明显增加,表面粗糙度分别由1.67nm、3.23nm增加至13.50nm、14.82nm,氧元素含量由11.02%、15.08%增加至31.35%、29.86%,且两种纤维的力学性能并未降低。当Si02浓度为1.25 wt%时,表面涂覆的PI-1与环氧树脂的界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)分别为45.88MPa、34.72MPa,比相应未表面涂覆的样品增加了18%和19%,与聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS分别为30.26MPa、43.21 MPa,比相应未表面涂覆的样品增加了 23%和17%,表面涂覆的PI-2与环氧树脂的IFSS和ILSS分别为42.36 MPa、33.37 MPa,比相应未表面涂覆的样品增加了 7%和19%,对聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS分别为30.09 MPa、42.88 MPa,比相应未表面涂覆的样品增加了 18%和15%。聚酰亚胺树脂基复合材料的耐热性(300℃)未受纤维改性的影响。SiO2溶胶处理后,纤维表面粗糙度增加,增加了复合材料中纤维与树脂的接触面,相互咬合,增加了复合材料的IFSS和ILSS。2.臭氧改性聚酰亚胺纤维(PI-1和PI-2)采用臭氧对PI-1和PI-2进行不同时间(0～40min)的表面处理,PI-1处理20min,表面氧元素含量由14.40%增加至21.35%,水接触角降至93.9°,与环氧树脂的IFSS和ILSS增加至44.77 MPa、32.67 MPa,比相应未表面处理的样品增加15%和12%,与聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS增加至29.29 MPa、41.23 MPa,比相应未表面处理的样品增加19%和12%;对PI-2处理30 min后,表面氧元素含量由9.98%增加至23.06%,水接触角降至85.2°,与环氧树脂的IFSS和ILSS增加至41.38 MPa、32.98 MPa,比相应未表面处理的样品增加4%和17%,与聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS增加至28.67 MPa、40.67 MPa,比相应未表面处理的样品增加12%和9%。臭氧处理后,纤维表面含氧官能团数量增加,极性增大,有利于纤维与树脂的粘结,提升了复合材料的IFSS、ILSS。3.其他方法改性聚酰亚胺纤维(PI-1和PI-2)采用等离子体对PI-1和PI-2进行不同时间(0～20min)的表面改性,与未处理样品相比,处理10 min,PI-1和PI-2表面氧元素含量分别由16.62%、13.60%增加至21.90%、22.53%,水接触角降至86.8°、82.6°,与环氧树脂的IFSS由38.97 MPa、39.64 MPa 增加至 45.22 MPa、42.33 MPa,增加了 16%和 7%,与聚酰亚胺树脂的 IFSS 由 24.65 MPa、25.54MPa 增加至 29.33 MPa、28.91 MPa,增加了 19%和13%;采用原子氧对PI-1和PI-2进行不同时间(0～40min)的表面改性,与未处理样品相比,处理30 min,PI-1和PI-2表面氧元素含量分别由11.02%、15.08%增加至17.64%、18.02%,水接触角降至82.2°和72.3°,与环氧树脂的IFSS分别由 38.97 MPa、39.64 MPa 增加至 45.58 MPa、43.01 MPa,增加了 16%和 8%,与聚酰亚胺树脂的 IFSS 由 24.65 MPa、25.54MPa 增加至 29.02 MPa、27.99 MPa,增加了 17%和8%。等离子体和原子氧处理后,纤维表面被刻蚀,使粗糙度增加,同时表面氧元素含量增加,有利于树脂对纤维浸润,增大了纤维与树脂的界面粘结强度。4.硅烷偶联剂改性聚酰亚胺纤维(PI-1和PI-2)采用不同浓度(0～6 wt%)的硅烷偶联剂3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(KH550)对PI-1和PI-2进行表面处理,处理浓度为6 wt%时,PI-1和PI-2表面粗糙度分别由1.97 nm、3.23 nm增加至21.90 nm、32.20 nm,水接触角由疏水性降至82.3°和77.2°,且两种纤维仍能保持原有的力学性能。当处理浓度为4 wt%时,两种纤维与两种树脂的界面粘结强度均最大,PI-1与环氧树脂的IFSS和ILSS分别为46.24 MPa、35.68 MPa,比未处理样品增加了 19%和22%,与聚酰亚胺树脂的IFSS 和 ILSS 为 29.57MPa、43.13MPa,比未处理样品增加了 20%和 17%,PI-2与环氧树脂的IFSS和ILSS为42.98 MPa、34.88 MPa,比未处理样品增加了 8%和24%,与聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS为28.89MPa、42.32MPa,比未处理样品增加了 13%和14%,同时,改性后的纤维制备的聚酰亚胺树脂基复合材料的在300℃耐热性并未受到明显的影响。KH550处理后,纤维表面粗糙度、含氧基团增加,极性增加,利于树脂对纤维的浸润,KH550通过化学键与纤维相连,复合材料受到外力作用时,纤维与树脂不易出现相对滑动,从而增加了复合材料的IFSS 和 ILSS。5.降冰片烯二酸酐(NA)二次处理改性聚酰亚胺纤维(PI-1、PI-2、PI-3和PI-4)采用KH550(4 wt%)和NA(10 wt%)联用的方法对四种聚酰亚胺纤维进行表面改性,经过NA二次处理后,四种纤维对聚酰亚胺树脂的粘结性能得到了进一步的提升,与未处理前相比较,PI-1、PI-2、PI-3和PI-4和聚酰亚胺树脂的IFSS 分别为 30.24MPa、29.68MPa、25.77MPa、33.06MPa,比相应未处理的样品分别增加了 23%、16%、11%和 22%,ILSS 分别为 44.35 MPa、43.96 MPa、37.28 MPa、44.12 MPa,比相应未处理的样品分别增加20%、18%、8%和13%。二次处理后,纤维表面引入了降冰片烯二酸酐基团,在聚酰亚胺树脂固化的过程中会参与交联反应,因此,进一步地增加了纤维与聚酰亚胺树脂的IFSS和ILSS。