聚对苯二甲酸丙二酯/短切碳纤维复合材料的制备、结构与性能研究

摘要

聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）是继聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）产业化以后，新实现工业规模开发的可成纤聚酯材料。PTT优异的回弹性和易染性引起纤维材料界的瞩目，国外已把它列为21世纪的新型纤维之一。另外，PTT在工程塑料领域的研究亦逐渐开展起来，是具有发展潜力的新型工程塑料。碳纤维（CF）是一种具有高强度、高模量、良好导电性、密度小、耐腐蚀、耐高温的特种纤维，应用于改性工程塑料取得了很好的增强效果。本文基于PTT的化学、物理特性，并结合聚合物增强改性原理，制备了PTT/短切碳纤维（SCF）复合材料，并系统地研究了它的结构和性能。主要研究内容及结果如下：
　　 ⑴采用熔融共混法制备了PTT/SCF复合材料，并分别用毛细管流变仪、扫描电子显微镜、拉伸和冲击实验机、高阻计和高频Q表研究了复合材料的流变行为、形态结构、力学性能和电性能。结果表明，复合材料断面上的SCF表面附着PTT树脂，界面结合性较好，保证了复合材料具有较好的力学性能，即随SCF含量增加，拉伸强度逐渐增加，而冲击强度在碳纤维含量为5％时最大。PTT/SCF复合材料熔体表现出复杂的流变行为：在剪切速率<130 s-1时，表观粘度随剪切速率的增加而增加，属于膨胀性流体；当剪切速率>130 s-1时，表观粘度随着剪切速率的增加而减小，属于假塑性流体。在碳纤维含量为2 wt％时，表观粘度、粘流活化能最大。随着碳纤维含量增加，复合材料的电阻率逐渐降低，复合材料由绝缘体转变为半导体材料，介电常数和介电损耗也随碳纤维增加而逐渐增大。
　　 ⑵复合材料的结晶形态表明碳纤维不但发挥了成核剂的作用，而且对基体结晶的结构产生了重要影响。碳纤维作为成核剂，使基体中晶核数量增加，使得更多PTT球晶在有限的空间里生长并相互碰撞，导致球晶平均尺寸减小；由于碳纤维与PTT链之间的相互作用，使PTT晶片在结晶过程中发生了周期性的扭转或位错，更有利于生成环带球晶。在等温结晶条件下，温度不同，即过冷度的不同对结晶形态有着决定性的影响，所有样品都有一个环带球晶向正常球晶的转变温度，而复合材料的转变温度较低。
　　 ⑶采用差示扫描量热仪（DSC）测定PTT/SCF复合材料的熔融和结晶行为，结果表明：SCF使PTT的起始结晶温度提高，晶体生长速率加快。结晶后的复合材料在熔融过程中出现再结晶峰和双重熔融峰。PTT/SCF复合材料的非等温结晶行为表明，随着冷却速率的增加，各个样品结晶峰值温度Tcp向低温移动，复合材料的结晶速率也随之增加。
　　 ⑷采用Jeziorny， Ozawa和Mo理论分析了复合材料非等温结晶初始阶段的动力学。结果表明，纯PTT的非等温结晶的成核方式以均相成核为主，PTT/SCF复合材料的成核方式以异相成核为主，生长方式以三维生长为主，碳纤维大大提高了PTT的结晶速率，并且碳纤维含量越多，晶体的生长速率和生长维数越大；用Friedman法测定体系的结晶活化能，结果表明碳纤维的加入提高了PTT的结晶能力，而且碳纤维含量越多，体系的结晶能力越强。
　　 ⑸热重分析（TGA）测定复合材料的热稳定性的结果表明，碳纤维和PTT分子链间的相互作用抑制了PTT分子链的分解，从而使最大失重速率温度向高温移动，复合体系的热稳定性优于纯PTT。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 PTT简介

1.1.1 PTT的发展概述

1.1.2 PTT的研究现状

1.2碳纤维及碳纤维改性塑料的研究进展

1.2.1碳纤维简介

1.2.2碳纤维改性塑料的研究现状和分析

1.3本研究的主要内容、目的及意义

第2章实验部分

2.1实验原料

2.2仪器设备

2.3试样制备

2.4材料表征

2.4.1力学性能

2.4.2形态结构

2.4.3流变性能

2.4.4电学性能

2.4.5结晶和熔融行为

2.4.6结晶动力学

2.4.7结晶形态

2.4.8热稳定性能

第3章PTT/SCF复合材料的相形态、力学、流变学和电学性能

引言

3.1复合材料的相形态和界面性能

3.2复合材料的力学性能

3.3复合材料熔体的流变行为

3.3.1熔体流变特性数据处理

3.3.2复合材料组成对熔体流变行为的影响

3.3.3非牛顿指数n

3.3.4表观粘流活化能

3.4复合材料的电学性能

3.4.1碳纤维含量对电阻率的影响

3.4.2碳纤维含量对介电性能的影响

本章小结

第4章PTT/SCF复合材料的结晶性能和结晶形态

引言

4.1 PTT/SCF复合材料非等温结晶性能

4.1.1结晶和熔融行为

4.1.2非等温结晶性能

4.2结晶形态

4.2.1非等温结晶形态

4.2.2等温结晶形态

4.3热稳定性能

本章小节

参考文献

全文结论

攻读硕士学位期间发表论文

致谢