パラアラミドの応用には、耐紫外線性が低い、軸圧縮強度が低い、樹脂との接着性が低いという3つの大きな問題があります。これらの欠点により、複合材料などの分野におけるパラアラミドの応用は制限されています。
パラアラミドの応用には、耐紫外線性が低い、軸圧縮強度が低い、樹脂との接着性が低いという3つの大きな問題があります。これらの欠点により、複合材料などの分野におけるパラアラミドの応用は制限されています。
パラアラミドの応用分野では、屋外で長期間使用することが避けられないため、耐紫外線性を向上させることが非常に重要です。アラミドの耐紫外線性が低いのは、構造中にベンゼン環とカルボニル基を多数含むためです。この共役構造は紫外線エネルギーを吸収し、アミド結合を切断します。アラミドの耐紫外線性を向上させるための研究は数多く行われています。一般的な方法としては、繊維表面のコーティング、紫外線吸収剤や紫外線遮蔽剤のグラフト化などがあります。例えば、繊維表面にTiO2やZnOを導入します。その原理は、TiO2またはZnOを介して紫外線を散乱させ、繊維本体による紫外線の吸収を減らすことです。研究によると、168時間の紫外線照射後も、表面にナノTiO2をグラフトしたケブラー繊維は引張強度の90％を維持できますが、未処理のケブラー繊維は同じ照射後でも引張強度の75％しか維持できません。
複合強化材としてのパラアラミドのもう一つの欠点は、軸圧縮強度が低いことです。アラミドの圧縮強度は通常200～400MPaで、引張強度の1/10未満であり、炭素繊維の圧縮強度（> 1.0GPa）をはるかに下回っています。そのため、複合材料などの分野での応用が制限されています。多くの学者が、繊維を架橋するために400℃以上の熱処理など、アラミドの軸圧縮強度を向上させる研究を行ってきました。熱処理後、繊維の圧縮強度は2.5倍以上増加しましたが、引張強度は大幅に低下しており、熱処理過程で高分子鎖がある程度劣化したことを示しています。一部の研究者は、共重合によって架橋可能な基を高分子鎖に直接導入しました。Tao Jiangらは、共重合によってPPTA高分子鎖に高温で架橋できるベンゾシクロブテン（XTA）構造を導入しました。 320℃を超えると、ベンゾシクロブテン構造が架橋し始め、熱処理温度および熱処理時間の増加とともに架橋度は徐々に増加しました。PPTA-co-XTA繊維を330℃で10秒間処理した後、繊維内部にはまだ多数のミクロフィブリル構造が存在していましたが、410℃で120秒間処理した後、繊維の断面は平らで滑らかになり、ミクロフィブリル構造は検出されず、ミクロフィブリル間に大きな架橋構造が現れたことを示しました。ただし、機械的特性試験では、架橋後に繊維の引張強度が大幅に低下することが示されました。これは、高温架橋プロセスによって必然的にある程度の劣化が起こり、引張強度が低下するためです。
パラファイバーのTiO2表面改質によるUV耐性向上の原理の模式図
繊維表面にSiCなどの高圧縮強度の無機材料層をコーティングするという提案もありますが、コーティング自体が樹脂との濡れ性に影響を与え、コーティングの厚さも繊維の靭性に影響を与えます。もう一つの一般的な方法は、分子間に水素結合相互作用を導入することです。例えば、ロシアで生産されているArmos繊維は、ベンゾイミダゾール構造を含むジアミンモノマーを導入することで三元共重合されています。高分子鎖間の水素結合相互作用が強化され、その圧縮強度はVICWAアラミド繊維の1.39倍です。しかし、パラアラミドの圧縮強度をさらに向上させることは依然として大きな課題です。
複合強化材として使用されるパラアラミドのもう一つの欠点は、マトリックス樹脂との接着性が低いため、繊維の表面改質が必要となることです。一般的な方法としては、化学グラフト処理、プラズマ処理、照射処理、化学エッチング、直接フッ素化などが挙げられますが、中でも直接フッ素化技術は近年登場した比較的効果的な表面処理方法です。
