碳纤维动态润湿行为及其表面预浸蔗糖炭化改性研究

发布时间：2020-05-28 18:31

【摘要】：随着各行业对材料轻量化和卓越性能的追求,碳纤维及其复合材料的应用越来越广泛。碳纤维与聚合物基体之间的界面是决定复合材料性能的重要因素之一,两者之间的界面强度一直是提升复合材料性能的瓶颈所在。纤维与基体之间较好的润湿作用是形成优良界面的前提,良好的机械啮合、化学键合等相互作用是提高复合材料界面强度的保证。目前,接触角的测量是评价碳纤维润湿性的主要方法。由于碳纤维的直径尺寸极为细小,接触角测量时受到的表面张力又十分微小,导致测得的碳纤维单丝接触角结果与真实值之间存在偏差;同时,目前虽然有许多旨在提高复合材料界面性能的碳纤维表面的改性方法,一定程度上提高其界面性能,但都普遍存在着处理工艺复杂、耗能高、污染环境等问题。因此,本文针对上述存在的问题,开展了相关的研究工作。在对影响碳纤维单丝接触角影响因素的分析的基础上,对现有碳纤维单丝接触角的测量方法进行了改进,通过分析碳纤维单丝与不同测试液体的动态润湿行为,结合动态润湿理论得到碳纤维在不同测试液体中的静态接触角,并由此计算出碳纤维的表面能;同时,以提高碳纤维增强环氧树脂复合材料界面与性能为目标,将碳纤维表面进行预浸蔗糖炭化改性。基于静态润湿理论建立的Wilhelmy平板法,分析了碳纤维单丝直径和测试时受力对动态接触角测量的影响,分析结果发现:在纤维直径数值变化的同时,所得到的动态接触角也随之发生变化,当接触角较小时,纤维的受力大小对接触角的测量结果会产生较大的影响。采用SEM图片法对碳纤维单丝直径进行准确的测量;在碳纤维单丝与液体动态接触角测量时对其进行受力分析,以改进现有的碳纤维单丝接触角测量方法。研究碳纤维单丝与去离子水、乙二醇、二碘甲烷和甲酰胺在不同测试速度下的动态润湿行为,结果发现:测试液体的粘度和碳纤维表面对测试液体的吸附均会对测试结果造成影响。利用MKT(Molecular Kinetic Theory)和HD(Hydrodynamic approach)理论对测试结果进行拟合分析,得到碳纤维单丝在各个液体中的静态接触角;通过分析不同液体组合的矩阵条件数,发现使用四种液体的组合体系计算碳纤维单丝表面能最为精确,计算得到碳纤维单丝表面能为γ_s=37.81 mJ/m~2±0.43 mJ/m~2,极性分量为γ_s~(ab)=5.70 mJ/m~2±0.30 mJ/m~2。通过SEM、FTIR、XPS对碳纤维的表面形貌和化学组成进行研究,结果表明:T300碳纤维表面的主要活性基团为羟基、氨基和羧基。采用TG、DSC分析研究蔗糖在空气和氮气气氛中的炭化行为,利用FTIR以及XPS分析不同气氛、不同温度下的蔗糖炭化残余物的化学结构,结果表明:蔗糖在230 ~oC以上的炭化温度下,空气和氮气气氛中炭化残余物的化学组成基本相同,主要是醚和醛类化合物所形成的混合物,只是基团含量有所不同。以去离子水和乙酸乙酯为溶剂,利用预浸蔗糖炭化改性碳纤维表面,通过SEM观察发现蔗糖炭化残余物在碳纤维表面形成可以增加粗糙度的圆形凸起。以预浸蔗糖炭化改性碳纤维与TDE-85环氧树脂复合制备碳纤维/环氧树脂复合材料,研究其介观与宏观力学性能。采用微脱粘方法测试得到蔗糖在空气气氛中以290 ~oC的温度进行炭化改性的碳纤维具有最高的界面剪切强度,达到了60.2 MPa±5.0 MPa,较未改性碳纤维提高了20.8%。改性后的碳纤维复合材料层间剪切强度达到了31.32 MPa,提高了13.8%,通过SEM观察发现:预浸蔗糖炭化改性后的碳纤维复合材料断口处几乎没有纤维拔出。利用超景深三维显微镜观察冲击测试后的碳纤维复合材料,发现凹坑深度降低了33.9%,裂纹没有大范围扩展,显示其具有较好的抗冲击性能。利用AFM观察预浸蔗糖炭化改性碳纤维的表面,其粗糙度增加了126%;采用改性的碳纤维单丝接触角测量方法对预浸蔗糖炭化改性碳纤维接触角进行测量,发现其极性分量提升了11.8%;基于炭化行为分析建立蔗糖炭化残余物与碳纤维表面和环氧树脂的界面模型,对两种界面体系进行差分电荷密度分析,发现蔗糖炭化残余物与碳纤维和环氧树脂之间均存在电子的迁移和得失,表明其与碳纤维表面存在着弱的分子间作用力。良好的润湿性、粗糙的碳纤维表面结构、弱的分子间作用力的协同作用,为碳纤维/环氧复合材料的界面性能提供了保证。
【图文】：

静态接触,聚丙烯,去离子水,液滴

测量法一个不受力场影响的空间，且这个液滴本身为型，，这是因为界面张力的存在所致。液滴的形因液滴内部的内聚力会使其发生改变，同时液也会对液滴的形状造成影响。在固体平面上放况，第一种情况就是液滴能自动地在固体表面液滴是以一定的接触角在固体表面停留[10]。接触直接测量液滴三相接触点的正切角，是 Bigelow的仪器，用来测量各种液体在平滑表面的接触角的商用接触角测角仪于 1960 年代初由 ramé-ha量仪包含水平测试台（用于摆放固体或液体样形成液滴）、照明光源和配备了带量角器目镜的方法实现的，通过目镜读出液体在三相接触点1-1 所示。

示意图,平板法,示意图

基底上存在杂质的风险或者影响更高。至于测量的准确性决于正切线位置的选择，多个用户之间可能会存在主观性的不测量法的另一个不足之处在于较小的接触角很难精确测量，当液平面时，很难准确确定切线位置。同样的，液滴的尺寸大小也会测量结果，导致均一性差的情况发生。基底表面的不均一性或粗测量结果的变化[15-17]。虽然有许多的缺点，光学接触角测量法要求不高时最方便的接触角测量方法。接力学测量法elmy 平板法[18]是一种广泛应用的间接测量固体样品接触角的测个薄的，较为光滑的，垂直的板与液体接触时，其重量的变化是器测量的，传感器上的力变化是浮力和表面张力的结合，如图，只要知道液体表面张力和固体周长，接触角值可以很容易地计少数情况下，当固体与液体的接触角为零，固体的润湿周长已知体的表面张力进行测量。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ342.742;TB332

【参考文献】