电聚合处理碳纤维单丝带对树脂基复合材料界面性能的影响

摘要

分别以苯酚、间苯二胺和丙烯酸为电解液，采用循环伏安法对PAN基碳纤维进行表面电聚合处理，用作复合材料的增强材料。实验研究了电聚合处理前后碳纤维结构、性能、形貌的变化以及碳纤维单丝带、电解液种类、电聚合时间对环氧树脂基、酚醛树脂基复合材料界面性能的影响，确定了不同树脂体系中对于提高复合材料界面性能的最佳电解液种类。 分析了碳纤维在苯酚、间苯二胺、丙烯酸三种电解液中的循环伏安曲线，研究了碳纤维的循环伏安特性；通过扫描电子显微镜（SEM）对碳纤维表面形貌的变化进行了观察；采用动态毛吸法测定了碳纤维与水、二碘甲烷的接触角，分析了电聚合处理前后碳纤维润湿性能的变化，并根据接触角计算求得碳纤维表面极性分量与非极性分量，研究了电聚合处理对碳纤维表面极性的影响；通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）对碳纤维表面新生官能团进行了定性分析；通过X射线衍射（XRD）对处理前后碳纤维的本体结构以及层面间距的变化进行了分析；通过复丝拉伸实验研究了电聚合处理对碳纤维拉伸强度的影响。结果表明，碳纤维表面有新的电聚合产物生成，表面极性提高，电聚合处理并没有改变碳纤维的本体结构只是层面间距有所降低，同时，电聚合处理还提高了碳纤维的复丝拉伸强度。 利用自制空气梳对增强碳纤维进行开纤处理，制备了碳纤维单丝带，实验研究了碳纤维单丝带对复合材料界面性能的影响。结果表明，碳纤维单丝带提高了复合材料的横向拉伸强度和层间剪切强度，提高幅度分别为100％和8％以上，但复合材料的纵向拉伸强度有所降低；与碳纤维束增强的复合材料相比，碳纤维单丝带增强的复合材料的横向拉伸强度数据的分散程度大大降低，这是碳纤维单丝带增强复合材料的一个突出优点。 以电聚合处理碳纤维单丝带作为增强材料，研究了电解液种类和电聚合时间对环氧树脂基、酚醛树脂基复合材料界面性能的影响。结果表明，苯酚、间苯二胺、丙烯酸三种电解液电聚合处理碳纤维环氧基复合材料的横向拉伸强度比未处理碳纤维复合材料的横向拉伸强度分别提高了43％、34％和52％，纵向拉伸强度分别提高了52％、64％和50％，层间剪切强度分别提高了120％、109％和135％；电聚合处理碳纤维酚醛基复合材料的横向拉伸强度比未处理碳纤维复合材料的横向拉伸强度分别提高了147％、121％和109％，层间剪切强度分别提高了37％、20％和23％。丙烯酸电解液对于提高环氧树脂基复合材料的界面性能效果显著，而苯酚电解液对于提高酚醛树脂基复合材料的界面性能效果显著。 采用电聚合的方法对增强纤维进行表面处理，这种方法一方面提高了碳纤维的拉伸强度，另一方面提高了碳纤维表面极性，改善了碳纤维的润湿性能，增加了碳纤维与树脂基体间的化学键合作用，实现了对碳纤维强化和表面改性的双重效果，从而改善了碳纤维与树脂基体间的界面性能，提高了复合材料的横向拉伸强度、纵向拉伸强度和层间剪切强度等力学性能。