碳纤维增强环氧树脂复合材料在不同氧浓度下热分解行为的研究

摘要

随着碳纤维复合材料的广泛使用，材料加工过程以及碳纤维复合材料报废之后产生大量废料。为避免将废弃的碳纤维复合材料掩埋处理，同时回收高价值的碳纤维，碳纤维回收方法不断发展。热分解法是回收碳纤维增强聚合物复合材料的一种常用方法，但是纤维表面会形成残炭，影响回收碳纤维的再应用。空气中热处理过程可以除去残炭，但同时碳纤维也会发生氧化，导致力学性能降低。为了得到表面干净并且力学性能没有严重下降的回收碳纤维，本课题研究了氧浓度对碳纤维增强4，4'-二氨基二苯甲烷固化环氧树脂复合材料热分解的影响。
　　首先对碳纤维增强环氧树脂复合材料的热分解动力学进行了研究。将高纯氮气和高纯氧气分别以95:5、90:10的体积比混合得到气体5％O2、10%O2。分别在N2、5%O2和空气条件下以5、10、15和20℃/min的升温速率进行热重分析。动力学分析采用Kissinger法和Flynne-Wall-Ozawa（FWO）法确定热分解过程阿仑尼乌斯方程动力学参数:活化能E和指前因子A；然后采用Coats Redfern法确定碳纤维复合材料的热分解机理函数，最后通过动力学结果计算一定温度和氧浓度下碳纤维复合材料中树脂基体完全分解所需要的时间。研究结果表明，有氧条件下树脂基体热分解包含与氮气条件下相同的阶段，氧浓度改变主要影响积炭氧化过程。
　　热分解实验在固定床反应器中进行。反应气体为5%O2、10%O2和空气。研究发现，温度是影响复合材料热分解最重要的因素，氧气浓度也需要严格控制。采用单丝拉伸测试、扫描电子显微镜、表面界面张力仪和X射线光电子能谱对回收碳纤维的性能进行了表征。随着氧浓度、反应时间和温度的增加，回收碳纤维表面的积炭逐渐减少，但其力学性能下降。5%O2气氛下回收的碳纤维力学性能明显高于10%O2和空气气氛中回收碳纤维的力学性能。反应温度为650℃，反应气氛为5%O2，反应时间为45分钟时，回收碳纤维的拉伸强度约为原纤维强度的83%。有氧条件下处理之后，碳纤维表面的含氧基团含量增加。另外，对热分解反应的物料衡算和树脂的分解产物也进行了分析。碳纤维复合材料在氮气和有氧条件下的热分解产物并不相同，氧气在热分解时有氧化作用。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 废弃碳纤维复合材料回收方法研究现状

1.3 碳纤维复合材料热分解动力学研究现状

1.4 论文目的意义及主要内容

第2章 实验材料和研究方法

2.1 实验原料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 表征测试

2.5 本章小结

第3章 碳纤维复合材料热分解动力学的研究

3.1 热分解动力学分析

3.2 不同条件下树脂完全分解所需要的时间

3.3 本章小结

第4章 不同氧浓度下碳纤维复合材料热分解行为

4.1 不同氧浓度下热分解回收碳纤维

4.2 回收碳纤维表征

4.3环氧树脂基体热分解产物分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢