应用于聚酰胺基体的碳纤维上浆剂的制备及其性能研究

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碳纤维(Carbon Fiber,CF)具有优异的高强、高模特性,但因本体呈现脆性而不能单独使用,通常应用于复合材料中,起到填充增强作用。由于碳纤维表面呈惰性,与多数材料不相容而无法表现出其优异的性能,需要对CF进行改性,从而优化复合材料的界面性能。在工业上通常采用上浆剂对CF表面改性处理,其方法成本低且工艺简单,但对不同复合材料其界面特性不同而需制备特定的上浆剂。本论文选取热塑性聚酰胺6(PA6)为基材,设计不同分子量的酰胺低聚物(LPA6)与环氧树脂(E44)进行反应而制备出不同的上浆剂,进一步对碳纤维表面进行上浆改性,改性后的碳纤维与PA6进行共混改性,制备出不同的PA6/CF复合材料。通过对浆料、浆料固化物、改性碳纤维和碳纤维复合材料四部分进行了表征分析。利用不同含量的改性二氧化硅(Si O2)掺入浆料中,对其中最佳浆料进行改性,研究了改性二氧化硅对浆料及复合材料性能的影响。首先,利用己内酰胺在水条件下进行开环反应,然后在高温条件下进行缩聚反应,用己二酸进行封端,得到不同分子量的酰胺低聚物,进而与环氧树脂进行反应而得到不同分子量固化的环氧上浆剂。通过核磁共振氢谱和傅里叶红外光谱分析,表明成功合成了特定的分子结构;同时,测试了浆料的粒径分布及热稳定性,表明了所合成的产物能耐300℃,可应用于PA6/CF复合材料的加工过程中。其次,利用不同上浆剂对碳纤维表面进行上浆,通过不同的上浆条件,优化了上浆工艺参数,然后采用傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、动态接触角和毛丝量等方法,分析了CF表面特性变化,利用扫描电子显微镜和扫描探针显微镜观察了不同碳纤维的表面形貌。结果表明,CF表面的极性键含量增加,且其中氮元素含量明显增加,上浆剂成功涂敷于碳纤维表面,其表面的极性力显著提高;从表面形貌发现,低分子量的上浆剂涂敷效果较均匀。次之,通过制备不同碳纤维增强聚酰胺6复合材料(PA6-OCF、PA6-OCF-01、PA6-OCF-02、PA6-OCF-03),研究了其热性能、力学性能及微观形貌等因素。结果表明,其中粒径较小,分散较均匀的低分子浆料所涂敷的碳纤维进行共混的复合材料(PA6-OCF-01)的拉伸、弯曲、缺口冲击和无缺口冲击强度最高,与较未上浆碳纤维复合材料(PA6-OCF)相比,分别提高了17.6%、21.7%、16%、21%。最后,通过改性二氧化硅对上浆剂进一步改性。结果表明,二氧化硅的加入,显著提高了上浆碳纤维的表面极性力、表面能和分散性,涂敷较均匀,其中加入10%的改性Si O2后,其复合材料力学性能最佳,较未上浆复合材料,其拉伸、弯曲、缺口冲击、无缺口冲击强度分别提高了27.3%、36%、19%、30%。
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