沥青基碳纤维上浆剂的制备与性能研究

摘要

上浆剂是应用于碳纤维表面的一种重要的助剂，它不仅有保护碳纤维的作用，还能够提高复合材料中树脂基体和碳纤维的粘接强度，改善复合材料的界面状态。中间沥青碳纤维是碳纤维家族中的一个特殊品种，具有独特的性能和应用领域，其表面结构与PAN碳纤维有较大差异，因此对上浆剂也有特殊的要求。本文通过实验选择了与沥青基碳纤维具有较好界面粘接强度的环氧树脂F-51，以此为原料制备了水溶型和乳液型上浆剂，并对制备工艺进行了探索。利用红外光谱、离心稳定性、扫描电子显微镜、纤维耐磨性和集束性、以及复合材料层间剪切强度等方式对上浆剂的性能，上浆后碳纤维以及复合材料的性能进行了评价。
　　采用化学改性法对环氧树脂F-51进行水溶性改性，当二乙醇胺用量为n环氧基团∶n二乙醇胺=3∶1，此时的环氧基开环率为30％，反应温度80℃，反应时间120min，成盐温度为60℃，改性树脂既具有较好的水溶性，粒径为10nm左右，离心沉淀质量为0.1 g/10mL，水溶液稳定性满足使用要求。
　　采用转相乳化法制备环氧树脂乳液，所选用的乳化剂为辛基酚聚氧乙烯醚，山梨醇酐单硬脂酸酯，十二烷基磺酸钠，当复配乳化剂的HLB值为12，乳化用量占树脂用量的8％，乳化温度为70℃，搅拌速率为12000r/min时制备的乳液上浆剂乳液粒径为5-10μm，离心沉淀质量为0.1g/10mL左右，乳液稳定性最高。
　　在环氧树脂乳液和水溶性改性环氧树脂水溶液中分别添加了适量具有一定柔韧性的水性聚氨酯制备了EP-PU乳液型和EP-PU水溶型上浆剂，经过EP-PU乳液型和EP-PU水溶型上浆剂上浆后的碳纤维上浆率在0.8％-1％之间，碳纤维表面变得光滑平整，碳纤维耐磨性由未上浆时的22次左右提升到了50-70次左右，而且上浆后的碳纤维集束性有了较大的改善，碳纤维复合材料的层间剪切强度提升较大。当改性环氧树脂的开环率为30％，聚氨酯用量为10％的时候，上浆剂的综合性能最佳。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 碳纤维上浆剂分类

1．3 碳纤维上浆剂的作用

1．4 碳纤维上浆剂的制备方法

1．4．1 乳液聚合

1．4．2 相反转法

1．4．3 化学改性法

1．5 碳纤维上浆剂的研究现状

1．6 复合材料界面

1．6．1 复合材料界面概况及作用

1．6．2 复合材料界面层理论

1．7 主要研究内容与意义

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验原料

2．2 上浆剂用树脂原料的选择原则

2．3 复合材料样品的制备

2．4．1 复合材料层间剪切强度的测试

2．4．2 复合材料断面SEM测试

2．5 结果与讨论

2．5．2 复合材料断面SEM结果分析

2．6 本章小结

第三章 水溶性改性环氧树脂的制备及其性能评价

3．1 实验

3．1．1 实验仪器

3．1．2 实验原料

3．2 水溶性改性环氧树脂的合成原理

3．3 水溶性改性环氧树脂的制备

3．4 水溶性改性环氧树脂制备工艺研究

3．4．1 反应温度研究

3．4．2 反应时间的研究

3．4．3 成盐温度的研究

3．5 水溶性改性环氧树脂的性能评价

3．5．1 红外光谱测试

3．5．2 改性环氧树脂的水溶性测试

3．5．3 改性环氧树脂水溶液的粒度测试

3．5．4 改性环氧树脂水溶液的稳定性测试

3．6 结果与讨论

3．6．1 环氧树脂改性前后结构对比研究

3．6．2 反应条件对环氧树脂开环率影响的研究

3．6．3 改性环氧树脂的水溶性分析

3．6．4 改性环氧树脂水溶液的粒度分析

3．6．5 改性环氧树脂水溶性的稳定性分析

3．7 本章小结

4．1 实验

4．1．1 实验仪器

4．1．2 实验原料

4．2 环氧树脂乳液的制备原理

4．3 环氧树脂乳液的制备

4．4 环氧树脂乳液制备工艺的研究

4．4．1 乳化体系的研究

4．4．2 乳化温度的研究

4．6．1 制备工艺对环氧树脂乳液稳定性的影响

4．6．2 环氧树脂乳液的粒度分析

4．6．3 环氧树脂乳液的稳定性分析

4．7 本章小结

第五章 碳纤维上浆及其性能表征

5．2．1 EP-PU水溶型和EP-PU乳液型上浆剂的配制

5．2．2 碳纤维的上浆

5．3 上浆后碳纤维的性能测试

5．3．1 碳纤维红外光谱测试

5．3．2 碳纤维扫描电子显微镜测试

5．3．5 碳纤维上浆率测试

5．4 结果与讨论

5．4．1 沥青基碳纤维上浆前后红外光谱分析

5．4．2 沥青基碳纤维上浆前后SEM分析

5．4．3 沥青基碳纤维上浆前后耐磨性分析

5．4．4 沥青基碳纤维上浆前后集束性分析

5．4．5 沥青基碳纤维上浆率分析

5．5 本章小结

第六章 上浆对碳纤维树脂基复合材料的性能影响

6．1 实验

6．1．1 实验仪器

6．1．2 实验原料

6．2 碳纤维树脂基复合材料的制备

6．3 复合材料样品的测试

6．4．1 上浆对碳纤维树脂基复合材料层间剪切强的影响

6．4．2 上浆对碳纤维树脂基复合材料断面的影响

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望与不足

参考文献

致谢

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