双螺杆反应挤出制备碳纤维增强尼龙6复合材料的研究

摘要

碳纤维增强尼龙6复合材料(CFRPA6)具有高强、轻质、吸水性小、尺寸精度高等一系列优点。广泛应用于航空航天、电子产品和体育用品等领域。由于高性能CFRPA6复合材料的加工工艺要求苛刻，且难以实现连续化工业生产，因此，本论文研究了双螺杆反应挤出制备碳纤维增强尼龙6的加工工艺，制得了碳纤维分布均匀且保持一定长径比(18：1)，性能稳定的CFRPA6复合材料。考察了碳纤维的不同表面处理方法，同时，还对不同挤出工艺进行了研究，以及碳纤维对复合材料力学性能、加工性能、熔融结晶行为和界面结晶形态等的影响。 本论文采用双螺杆反应挤出制备碳纤维增强尼龙6复合材料，通过扫描电镜和光学显微镜对碳纤维在尼龙6基体中的分布和长径比进行了研究，结果发现复合材料中的碳纤维分布非常均匀，碳纤维没有发生取向，并且还保持了一定的长径比，平均约为18:1，有些试样能达到20:1，完全符合纤维增强树脂的一般规律。 通过扫描电镜扫描不同方法处理的碳纤维，研究表明，经过氧化处理后的碳纤维表面明显变粗糙，增大了碳纤维的表面积，其中以硝酸处理的最为明显；经过硅烷偶联剂复合处理的碳纤维表面比未处理的碳纤维表面还要光滑，沟槽也变少变浅，这是因为硅烷偶联剂涂覆在硝化处理后的碳纤维表面，形成了一个可塑界面层，可以消除界面应力，增强了碳纤维与尼龙6基体的粘结性，使复合材料的力学性能大幅度提高。 根据扫描电镜照片示出的复合材料界面形貌和力学性能及耐环境稳定性等测试，经经典配方处理的碳纤维与尼龙6经过双螺杆挤出机反应挤出制备的复合材料显示出了良好的界面粘结性，与纯尼龙6相比绝大部分性能都有了大幅度的改善。 根据复合材料界面结晶形态和DSC熔融结晶分析，碳纤维的加入起到了异相成核的作用，改变了尼龙6的成核机理，提高了结晶速率和结晶起始温度，在碳纤维的表面生成了横晶。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第一章文献综述

1.1聚酰胺6(PA6)树脂与碳纤维(CF)

1.1.1PA6的发展、结构与性能

1.1.2 CF的发展、结构与性能

1.1.3碳纤维增强尼龙6改性

1.2碳纤维增强尼龙6复合材料

1.2.1纤维增强复合材料的加工工艺

1.2.2碳纤维增强尼龙6复合材料的优异性能

1.2.3碳纤维增强尼龙复合材料应用发展现状

1.3碳纤维增强尼龙6复合材料的界面研究

1.3.1纤维增强复合材料理论

1.3.2碳纤维的表面处理

1.4论文选题的目的和意义

第二章实验部分

2.1主要试验原料及仪器

2.1.1主要实验原料

2.1.2主要实验仪器设备

2.2碳纤维的表面处理

2.3试样的制备

2.4复合材料的性能测试

2.4.1碳纤维表面结构的测试

2.4.2复合材料亚微观结构的测试

2.4.3熔体流动速率的测试

2.4.4力学性能测试

2.4.5熔融结晶性能测试

第三章碳纤维增强尼龙6复合材料结构与性能的研究

3.1 CFRPA6的亚微观结构

3.1.1碳纤维在CFRPA6中的分散效果和长径比分布

3.1.2 CFRPA6的拉伸断面形貌

3.2碳纤维对尼龙6加工性能和力学性能的影响

3.3碳纤维对尼龙6性能稳定性的影响

3.3.1 CFRPA6的屈服强度和屈服伸长随时间的变化

3.3.2碳纤维对泡水后的尼龙6力学性能的影响

3.4碳纤维对尼龙6热力学性能的影响

3.5本章小结

第四章碳纤维处理方法对CFRPA6性能的影响

4.1碳纤维处理方法对CFRPA6亚微观结构的影响

4.1.1碳纤维处理方法对碳纤维表面形貌的影响

4.1.2碳纤维处理方法对CFRPA6拉伸断面形貌的影响

4.2碳纤维处理方法对CFRPA6加工性能和力学性能的影响

4.3本章小结

第五章加工工艺对CFRPA6性能的影响

5.1螺杆转速对CFRPA6性能的影响

5.1.1螺杆转速对CFRPA6亚微观结构的影响

5.1.2螺杆转速对CFRPA6加工性能的影响

5.2加工温度对CFRPA6性能的影响

5.2.1加工温度对CFRPA6亚微观结构的影响

5.2.2加工温度对CFRPA6加工性能和力学性能的影响

5.3本章小结

第六章碳纤维含量和初始纤维长度对CFRPA6性能的影响

6.1碳纤维含量对CFRPA6性能的影响

6.1.1碳纤维含量对CFRPA6亚微观结构的影响

6.1.2碳纤维含量对CFRPA6加工性能的影响

6.1.3碳纤维含量对CFRPA6力学性能的影响

6.1.4碳纤维含量对CFRPA6热力学性能的影响

6.2初始碳纤维长度对CFRPA6性能的影响

6.2.1初始碳纤维长度对CFRPA6亚微观结构的影响

6.2.2初始碳纤维长度对CFRPA6加工性能和力学性能的影响

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢