碳纤维增强聚醚砜复合材料用水性上浆剂的关联性研究

摘要

碳纤维具有高强高模等优异性能，通常作为增强体与基体树脂加工成复合材料，在航空航天领域广泛应用。碳纤维上浆剂对复合材料的界面性能有较大的影响，上浆剂上浆碳纤维不仅能避免碳纤维表面受到污染，保护表面基团的活性，提高纤维集束性，还能浸润碳纤维，减小碳纤维与基体树脂间的表面张力，增强碳纤维与基体树脂间的界面粘结程度，提高层间剪切强度。溶液上浆剂较水性上浆剂制备工艺简单，应用范围广，但水性上浆剂避免了低沸点有机溶剂挥发造成环境污染，树脂容易残留在导辊上，碳纤维毛丝增多的缺点。热固性树脂和高性能热塑性树脂差别较大，上浆剂目前以热固性环氧树脂为主，不适用于基体树脂聚醚砜体系，所以开发合适的水性上浆剂能够提高碳纤维聚醚砜复合材料的界面性能非常重要。
　　本课题采用的的是未上浆碳纤维JT-3K，首先用1mol/L的NH4HCO3作为电解质对碳纤维进行表面电化学处理，通过碳纤维/环氧树脂复合材料层剪强度的大小及不同电流下碳纤维的Raman测试结果确定电化学处理较优工艺参数。在电化学处理时间为120s，处理电流为700mA时，表面处理工艺可以达到要求，碳纤维增强环氧树脂复合材料层间剪切强度达到82.3MPa，比未处理时提高18.2％，与商品丝T300/环氧树脂(EP)复合材料层间剪切强度平均值相差4.3MPa Raman测试结果表明700mA时碳纤维官能团含量最多。
　　然后碳纤维在电化学较优条件处理下，采用主体树脂与基体树脂聚醚砜相同的PES乳液和溶液上浆剂作碳纤维涂层，PES乳液比PES溶液上浆碳纤维效果好。上浆剂PES乳液浓度为1％时，复合材料层间剪切强度达到最大值76.3MPa，比PES溶液作为上浆剂时，层间剪切强度提高了14.4％，比未上浆碳纤维层剪强度提高了35.1％，浓度为1％PES乳液和溶液上浆碳纤维的平衡吸水率比较，乳液上浆碳纤维吸水率是溶液上浆碳纤维的2.4倍，是未上浆碳纤维的3.5倍，DMTA测试发现，1％PES乳液上浆CF/PES复合材料的tg高出1％PES溶液上浆CF/PES复合材料25℃左右，说明PES乳液上浆效果优于PES溶液。
　　水性聚酰亚胺作为碳纤维上浆涂层，水性聚酰亚胺主要成分为聚酰胺酸，利用羧基与碳纤维表面官能团反应产生化学键，提高CF/聚醚砜复合材料的层间剪切强度。不同浓度水性聚酰亚胺上浆碳纤维复合材料层间剪切强度趋势呈抛物线，上浆剂浓度0.5％时，达到最大70.6MPa，比未上浆碳纤维复合材料提高18.5％，吸湿率是未上浆碳纤维的2.6倍，碳纤维的毛丝量较未上浆碳纤维毛丝量下降了55.4％，耐摩擦性能增强，动态机械热力学测试中，0.5％的水性聚酰亚胺上浆CF/聚醚砜复合材料的耐热性提高较大，蟾比未上浆碳纤维高出90℃左右，说明水性聚酰亚胺上浆碳纤维不仅能够提高复合材料界面效果，还能提高复合材料的耐热性能。
　　水性封闭异氰酸酯作为上浆剂对碳纤维进行上浆涂层，水性封闭异氰酸酯在温度＞105℃时，异氰酸酯基被释放，与处理过的碳纤维表面官能团作用，使碳纤维与基体树脂聚醚砜界面粘结性增强，上浆剂浓度为1％时，层间剪切强度达到最大值，为71.6MPa，较未上浆CF/聚醚砜复合材料层间剪切强度提高了19.9％，上浆效果好，平衡含水率是未上浆碳纤维的4.9倍，毛丝量减小，耐摩擦性能提高，上浆浓度为1％时，在动态机械热力学测试中，水性异氰酸酯的上浆浓度为1％时复合材料的tg最高，比未上浆时复合材料高出约50℃，说明水性异氰酸酯上浆能提高复合材料界面性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纤维的历史发展及应用

1．2 聚丙烯腈碳纤维的生产工艺及结构

1．3 碳纤维的表面改性

1．3．1 碳纤维的表面结构与性能

1．3．2 碳纤维的表面处理

1．3．3 碳纤维表面的表征手段

1．4 复合材料

1．4．1 碳纤维增强复合材料的发展

1．4．2 复合材料界面性能

1．4．3 热固性树脂和热塑性树脂

1．4．4 碳纤维复合材料的成型技术

1．5 上浆剂

1．6 本课题的目的和意义

1．7 本课题的创新之处

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验内容

2．3．1 改变电化学处理时间和电流对碳纤维表面处理的影响

2．3．2 聚醚砜乳液上浆剂的制备

2．3．3 聚醚砜溶液和聚醚砜乳液上浆碳纤维的比较

2．3．4 水性聚酰亚胺作为碳纤维上浆剂

2．3．5 水性异氰酸酯作为碳纤维上浆剂

2．4 测试与表征

2．4．1 碳纤维复合材料层间剪切强度的测试

2．4．2 傅里叶变换红外光谱测试

2．4．3 扫描电子显微镜测试(SEM)

2．4．4 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．4．5 毛丝量测试

2．4．6 耐磨性测试

2．4．7 平衡含水率测试

2．4．8 碳纤维上浆量

2．4．9 动态机械热力学分析

2．5 本章小结

第三章 结果与讨论

3．1 NH4HCO3电解质对碳纤维表面电化学处理

3．1．1 T300／坏氧树脂复合材料层间剪切强度测试

3．1．2 电化学处理时间对复合材料力学性能的影响

3．1．3 电流大小对复合材料力学性能影响

3．1．4 Raman光谱分析

3．1．5 小结

3．2 聚醚砜溶液与聚醚砜乳液上浆碳纤维

3．2．1 聚醚砜乳液上浆剂的制备工艺

3．2．2 聚醚砜溶液与乳液上浆CF／PES层间剪切强度

3．3 水性聚酰亚胺上浆剂对碳纤维／聚醚砜的影响

3．3．1 上浆剂水性聚酰亚胺红外光谱的分析

3．3．2 复合材料的力学性能

3．3．3 水性聚酰亚胺上浆碳纤维的红外谱图FT-IR

3．3．4 水性聚酰亚胺上浆碳纤维表面化学分析XPS

3．3．5 水性聚酰亚胺上浆碳纤维的表观形貌

3．3．6 上浆剂对碳纤维增强聚醚砜动态机械热分析(DMTA)

3．3．7 小结

3．4 水性封闭异氰酸酯上浆碳纤维

3．4．1 水性封闭异氰酸酯乳液粒径及分布

3．4．2 不同温度处理下水性封闭异氰酸酯红外分析(FT-IR)

3．4．3 水性封闭异氰酸酯上浆碳纤维表面化学分析xps

3．4．4 上浆前后碳纤维表观形貌

3．4．5 复合材料的力学性能

3．4．6 上浆剂对碳纤维复合聚醚砜动态机械热分析(DMTA)

3．4．7 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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