连续碳纤增强聚芳醚腈酮复材及其相容剂研究

摘要

连续碳纤维增强高性能热塑性树脂基（CFRTP）复合材料在保留传统热固性复合材料机械性能优异和耐热性能突出的基础上，凭借其加工工艺简便独特、高韧性、高抗冲、可重复回收利用、环境友好等优势，在高精尖市场和民用领域得到越来越广泛的应用。含二氮杂萘酮联苯结构的聚芳醚腈酮（PPENK）是本课题组研发的耐热性能最为优异的热塑性树脂基体，可溶于非质子极性溶剂，力学性能突出，能采用溶液法制备碳纤维复合材料。 本文旨在开发一种大分子复合材料相容剂，以降低加工过程中树脂基体的熔体黏度、改善复合材料的界面性能。自主设计合成了一种含有双苯基芴结构和酯基侧基的聚芳醚酮相容剂（PFEK-E），通过红外、核磁光谱证实相容剂结构与设计相一致。相容剂的溶解性、GPC测试表明，PFEK-E相容剂数均分子量为17400，可溶于非质子极性溶剂。PFEK-E、PPENK及其共混体系DSC、TGA、流变性能测试结果表明，PFEK-E的玻璃化转变温度为215℃，N2氛围中5%热失重温度为478℃，说明相容剂PFEK-E与PPENK耐热性能匹配、相容性良好并且可以有效降低PPENK熔体黏度，提高PPENK树脂基体对纤维的二次浸润效果，改善CF/PPENK复合材料加工性能。 设计正交实验确定了模压温度380℃、压力12MPa、时间30min、树脂胶液浓度14%的最优工艺参数。研究表明，当PFEK-E含量为10%时，复合材料的力学性能和界面强度最为优异，室温干态条件下弯曲强度达到1844MPa，弯曲模量为148Gpa，短梁剪切强度达到84.3MPa，高温200℃干态条件下，弯曲强度达到1250MPa，弯曲模量为127GPa，短梁剪切强度为56.6MPa，室温湿态条件下，弯曲强度保持率为90%，短梁剪切强度保持率为99%。同时，复合材料表现出不错的耐湿热性能，200℃湿态弯曲强度保持率达到59%，短梁剪切强度保持率达到60%。 DMA测试表明CF/10%PFEK-E/PPENK复合材料具有优异的耐热性能和高温机械性能，能在250℃以下环境中长期使用。超声波C扫描检测结果表明复合材料内部缺陷较少，能充分发挥树脂基体和纤维的协同作用。扫描电镜结果显示，相容剂的加入能有效改善PPENK树脂基体对碳纤维的浸润效果，提高纤维与树脂之间的界面结合强度。

目录

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