常压等离子体处理对国产PAN基碳纤维表面性能影响的研究

摘要

本实验以4，4＇-二苯氨基醚(4，4＇-ODA)和3，3＇，4，4＇-二苯醚四羧酸二酐(ODPA)为单体原料，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂制备耐高温聚合物基体聚酰亚胺（Polyimide，PI）树脂，通过包埋国产PAN基碳纤维，制成聚酰亚胺基单纤复合材料。PAN基碳纤维根据随机数制样，利用He/O2常压等离子体技术对其表面进行0s，4s，8s，16s，32s的改性处理，并通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、动态接触角测试(DCAT)来分析讨论不同等离子体处理时间0s、4s、8s、16s、32s对碳纤维表面形貌、表面元素组成以及表面润湿性能的影响及变化规律。实验结果表明:He/O2常压等离子体处理时间为16s时，在纤维表面引入了大量的含氧基团，表面极性基团含量得到提高;同时He/O2等离子体处理对纤维表面产生清洁作用，并随着等离子体处理时间的延长，表面刻蚀程度加大，在32s处理时间时沟槽略有加深;同时从PAN基碳纤维表面能的变化规律发现，随着处理时间的增加，表面能呈现增大趋势，当等离子体处理时间为32s，其表面能达到最大值，此时润湿性最好。
　　 采用Weibull理论评价碳纤维拉伸测试数据，以界面剪切强度(IFSS)表征PAN基碳纤维聚酰亚胺基单纤复合材料的界面粘结强度。其结果发现，当等离子体处理时间一定时，拉伸隔距越小，纤维拉伸强度越大，分散性越低;当测试隔距一定时，等离子体处理对纤维的强度及分散性影响不大，在5mm和10mm隔距下，碳纤维的拉伸强度反而略微有所上升。在10mm拉伸测试隔距下，等离子体处理时间为16s时，PAN基碳纤维聚酰亚胺基单纤复合材料的界面剪切强度从107.1Mpa提高到147.9Mpa，提高了38.0％。当处理时间达到32s时，单纤复合材料的界面剪切强度仅提高了23.0％。可见过长的处理时间会削弱等离子体处理界面粘结性能的提高，因此要对处理时间长度加以合理控制。
　　 综上所述，He/O2常压等离子对PAN基碳纤维表面以及界面改性的效果是十分显著的。界面剪切强度值的变化趋势受多方面因素的综合影响。处理后碳纤维表面增加的极性基团与聚酰亚胺的预聚物聚酰胺酸分子链上的酰胺基和羧基可能会形成有效的共价键结合或氢键结合，增加了界面层的结合强度。碳纤维表面含氧极性基团的增多，使纤维的表面能增加，改善了聚合物基体对纤维表面的浸润性能。

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 碳纤维

1．3 碳纤维的表面改性方法

1．4 等离子体技术概述

1．5 国内外研究现状

1．6 课题研究目的与研究内容

第二章 实验材料和实验方法

2．1 主要实验原料及仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 实验方法

第三章 结果讨论与分析

3．1 常压等离子体处理对碳纤维表面形貌的影响

3．2 常压等离子体处理对碳纤维表面化学的影响

3．3 常压等离子体对碳纤维表面润湿性能和表面能的影响

3．4 常压等离子体处理对碳纤维单纤维强度的影响

3．5 碳纤维／聚酰亚胺界面剪切强度(IFSS)

3．6 本章小结

第四章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢