【摘 要】
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随着先进汽车制造业、航空工业的发展与国家“双碳”战略目标的提出,具有比强度高、比模量高、可回收、可修补、快速成型、韧性好和损伤容限高等优点的碳纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP）逐渐成为研究热点。上浆剂作为碳纤维重要的组成部分,对CFRTP性能起着重要的影响作用,用于热固性树脂的传统上浆剂热稳定性不足,这限制了CFRTP性能的发挥。为此,针对聚醚酰亚胺（PEI）和聚醚醚酮（PEEK）等高性能热
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随着先进汽车制造业、航空工业的发展与国家“双碳”战略目标的提出,具有比强度高、比模量高、可回收、可修补、快速成型、韧性好和损伤容限高等优点的碳纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP）逐渐成为研究热点。上浆剂作为碳纤维重要的组成部分,对CFRTP性能起着重要的影响作用,用于热固性树脂的传统上浆剂热稳定性不足,这限制了CFRTP性能的发挥。为此,针对聚醚酰亚胺（PEI）和聚醚醚酮（PEEK）等高性能热塑性基体树脂,本论文采用脂肪族单体和异构化单体合成兼具柔顺性与热稳定性的半脂肪族聚酰亚胺（SA-PI）并制备水性上浆剂,研究了其上浆效果与对CFRTP界面性能的影响。通过脂肪族二胺3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二环己基甲烷（DMDC）和均四苯甲酸酐（PMDA）合成了半脂肪族聚酰胺酸（PAA）,以其铵盐水溶液作为水溶型SA-PI上浆剂。SA-PI上浆的碳纤维（SCF-1）增强PEI的层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度分别为75.2 MPa和721.7 MPa,与东丽T300纤维相比分别提高了9.6%和20.1%。同时改善了CF/PEI界面的耐热性能与耐湿热老化性能,240℃退火和湿热老化后SCF-1/PEI的ILSS保持率分别为94.0%和73.7%,均高于同等条件下T300复合材料ILSS保持率。SCF-1/PEEK复合材料的ILSS和弯曲强度分别为69.0 MPa和523.3 MPa,与T300/PEEK相比分别提高了56.5%和17.7%。2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐（α-ODPA）用以替代PMDA,合成了可溶半脂肪族聚酰亚胺（S-SA-PI）,制备了DMAc含量为2.7 wt%的S-SA-PI水性悬浊液作为上浆剂。S-SA-PI上浆的碳纤维（SCF-2）增强PEI复合材料的ILSS和弯曲强度分别为80.5 MPa和752.2 MPa,与T300纤维相比分别提高了17.3%和25.2%。使用S-SA-PI对碳纤维进行上浆还能够改善CF/PEI界面的耐热性能与耐湿热老化性能,240℃退火后SCF-2/PEI的ILSS和弯曲强度保持率分别为94.8%和86.7%,高于T300/PEI复合材料89.2%和81.6%的保持率;经过25 d的湿热老化后SCF-2/PEI的ILSS保持率为73.3%,高于T300/PEI复合材料69.4%的保持率。SCF-2/PEEK复合材料的ILSS和弯曲强度分别为68.3 MPa和591.6MPa,与T300/PEEK相比分别提高了59.6%和33.1%。基于S-SA-PI特殊的半脂肪族-空间折叠的柔性结构,研究了液相环境、催化剂和除水剂对S-SA-PI低温亚胺化的影响,确定的低温亚胺化工艺为:40℃下在DMAc溶液中进行化学环化,以乙酸酐作除水剂且不使用催化剂。比较了不同亚胺化工艺对S-SA-PI性能的影响,结果表明低温亚胺化使S-SA-PI的固体颗粒尺寸减小,结晶倾向减弱,分子量增大,5%分解温度提高,在DMAc中的溶解度提高。采用低温亚胺化工艺可以更加简便地制备DMAc含量更少的SSA-PI上浆剂,且与热亚胺化制备S-SA-PI上浆剂的施用效果相当。结合S-SAPI的结构特点、实验数据以及模拟计算,解释了S-SA-PI上浆剂增强CFRTP界面的机理。
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