乙烯基酯树脂用碳纤维乳液上浆剂的制备与性能研究

摘要

碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料（CF/VE）以轻质高强、可设计性强、成型周期短等突出优点，在交通运输、体育用品等各个领域得到了广泛应用。但是有研究结果表明，由于乙烯基酯树脂与碳纤维表面的环氧型上浆剂的固化机理不同，固化成型过程中碳纤维与 VE树脂间不能形成共价交联，使得界面成为碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料的薄弱环节。因此，本课题致力于制备一种新型的适用于 VE树脂的不饱和碳纤维乳液上浆剂，在碳纤维与 VE树脂间引入化学键连接，改善纤维与树脂基体的界面结合，进而提高CF/VE复合材料的综合性能。
　　首先对上浆剂主浆料的分子结构进行了设计，确定两种合成原料分别为甲基丙烯酸环氧丙酯（GMA）和4,4`-二氨基二苯甲烷（MDA）。通过差示扫描量热法（DSC）对两种物质反应的可行性进行了验证，并优化了反应条件。制备了上浆剂主浆料并对其分子结构进行了表征，结果表明，MDA中的一个氨基与GMA中的环氧基团发生了反应，得到了预期的反应产物。接着采用转相乳化法制备了上浆剂乳液，并对上浆剂的配方、乳化工艺条件进行了优化。其中乳化剂采用OP-10与吐温-20（质量比6:4）复配乳化剂，质量分数为主浆料的10%，乳化温度为60℃，搅拌速率为10000 r/min，加水方式为转相前1 ml/min、转相后4 ml/min。制得的乳液粒径约为245nm左右，且粒径分布较窄，乳液具有较高的稳定性。
　　采用自制上浆剂对碳纤维进行上浆处理，通过耐磨仪、SEM、AFM、XPS对上浆后的碳纤维进行了表征。结果表明，上浆后碳纤维具有很好的集束性、硬挺度和耐磨性；SEM和 AFM分析表明，上浆后纤维表面变得光滑，沟壑消失，上浆均匀，粗糙度显著增加。XPS测试结果说明，上浆后CF表面的O元素与N元素含量都明显增加，O:C提高了9.39%。这都有利于提高CF/VE的界面结合强度。
　　上浆后 CF的浸润性明显提高，与 VE树脂的动态接触角由76.37°下降到60.28°。微脱粘试验结果显示，上浆处理后CF/VE的界面剪切强度由26.99MPa上升到41.25MPa，提高了52.84%。对拉脱面进行扫描观察发现，上浆后的CF表面残留有较多树脂基体，说明 CF与 VE基体间有较强的界面结合。CF/VE单向复合材料的层间剪切强度与界面剪切强度具有相同的增长趋势，从45.98MPa提高到59.87MPa，提高30.21%。观察复合材料的断面形貌发现，剪切破坏后碳纤维表面也有较多的树脂残留，破坏形式从界面剥离变成了树脂破坏，这得益于CF与VE基体间的化学连接。由于界面结合强度的提高，复合材料的载荷将更有效地传递给纤维，发挥其增强作用，从而提高CF/VE的各项性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 乙烯基酯树脂研究现状

1.3 碳纤维表面改性简介

1.4 碳纤维乙烯基酯树脂上浆剂的研究现状

1.5 国内外研究现状的解析

1.6 主要研究内容

第2章 材料体系设计与研究方法

2.1试验原料及设备

2.2 材料体系设计

2.3 材料结构与性能研究方法

第3章 上浆剂乳液的制备与性能研究

3.1引言

3.2 上浆剂主浆料的分子设计

3.3 乳化剂对上浆剂乳液性能的影响

3.4 活性单体含量对上浆剂性能的影响

3.5 乳化温度对上浆剂乳液性能的影响

3.6 搅拌速率对上浆剂乳液性能的影响

3.7 加水方式对上浆剂乳液性能的影响

3.8 本章小结

第4章 上浆剂对碳纤维性能的影响

4.1引言

4.2 上浆剂对碳纤维集束性的影响

4.3 上浆剂浓度对碳纤维表面形态的影响

4.4 上浆剂对碳纤维使用性能的影响

4.5 上浆剂对碳纤维表面形貌的影响

4.6 上浆剂对碳纤维表面元素组成的影响

4.7 上浆剂对碳纤维浸润性的影响

4.8 本章小结

第5章 上浆剂对CF/VE复合材料性能的影响

5.1 引言

5.2 上浆剂对CF/VE单丝复合材料界面性能的影响

5.3 上浆剂对CF/VE复合材料层间剪切强度的影响

5.4 上浆剂对CF/VE复合材料断面形貌的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢