碳纤维表面处理技术对CFRP界面特性影响研究

发布时间：2020-07-30 17:02

【摘要】：在碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)这一多相体系中,界面是重要组成部分。界面的有效构筑主要依附于两相的化学结合和物理结合,具体结合机理包括范德华力、浸润,机械啮合、毛细作用、静电引力,化学键合、纳米接枝、偶联作用等。在CFRP界面改性和设计方向中,碳纤维的表面处理是重要手段之一研究者们在物理层面上,增加碳纤维与树脂基体的机械嵌合作用,可通过增加碳纤维表面粗糙度或者接枝新的纳米相实现;在化学层面上,引入活性官能团以改变碳纤维表面的化学惰性,提高表面能,增强碳纤维与树脂基体的浸润性。本文以先进聚合物基复合材料中常用的碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象,在纤维与基体树脂之间引入过渡的上浆剂界面层,借由上浆涂层改性实现界面相的应力控制,提高复合材料的机械性能。考虑到上浆剂主体高聚物中不同官能团的定向反应特性,分别利用化学改性法和乳液聚合法制备了接枝环氧基和接枝丙烯酸酯基的水性碳纤维上浆剂。通过上浆涂层改性碳纤维(SCF),以期有效改善纤维和基体树脂间相互作用,增强CFRP界面结合强度。实验发现,制得的上浆剂乳液常温及机械稳定性良好,粒径小,富含可与基体树脂化学键合的活性官能团,热分解温度约在400℃。其中,接枝环氧基上浆剂乳液平均粒径约4.210μm,粒径呈现多峰分布;接枝丙烯酸酯基上浆剂乳液平均粒径约为0.125μm,总体分布范围较窄。经过上述两种上浆剂乳液上浆后的碳纤维表面缺陷被有效填补,同时保留了一定的表面粗糙度,表面化学反应活性增加。复合材料剪切断口形貌规整,纤维与基体间结合紧密。接枝环氧基上浆剂改性纤维复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS)比未处理复合材料分别提高10.5%和7.0%,而接枝丙烯酸酯基上浆剂改性纤维复合材料的IFSS和ILSS比未处理复合材料分别提高14.2%和10.3%。因而接枝丙烯酸酯基碳纤维上浆剂对于CFs表面及复合材料界面的改性效果更为突出。由此可见,界面相中化学键的种类及数量在调控CFRP界面性能中发挥主导作用,表面缺陷弥补和物理嵌合效应对界面相的影响相对弱化。针对接枝丙烯酸酯基上浆剂乳液进行物理分级过滤(0.22 μm、0.45 μm、μm、3 μm、5 μm、10 μm),研究乳液粒径大小及分布对上浆剂乳液本体特性、改性碳纤维表面特性和复合材料界面特性的影响。实验发现,当上浆剂乳液粒径约为110 mn(P-3上浆剂)时,引入的适当厚度的浆膜既可以弥补碳纤维表面缺陷,又可以进行表面机械补强。上浆纤维的表面能极性分量随乳液粒径的减小而增大,而色散分量则随乳液粒径的减小而减小。同时,适当厚度的浆膜界面层也可分散应力并抑制裂纹扩展,改善复合材料的ILSS和IFSS。为进一步改善CFRP界面粘结效应,对引入的上浆剂界面层进一步改性,分别采用氧化石墨烯(GO)改性上浆剂法和电泳沉积法(EPD)制备上浆涂层/氧化石墨烯接枝复合改性碳纤维(GO/SCF),探索利用GO的纳米尺寸效应调控上浆剂界面层的微观结构与相互作用,提出了又一种提高CFRP界面特性的有效途径。综合研究了不同EPD工艺对GO/SCF表面特性和复合材料界面特性的影响,建立了GO纳米相在SCF表面的不同微观接枝模型,提出了对应的GO/SCF增强复合材料的界面断裂机制,有助于实现对CFRP界面特性的设计和控制。研究发现,GO接枝在调整SCF表面物理化学特性和构建强化界面层两方面效果显著。当电沉积工艺优化为pH≈10、沉积电压为20 V、沉积时间为15 min时,在SCF表面接枝GO使得GO/SCF增强环氧树脂复合材料(GO/SCF/EP)的界面增韧效果明显改善,其ILSS和IFSS比SCF增强环氧树脂复合材料(SCF/EP)分别提高了6.9%和10.8%。根据GO/SCF微观形貌及复合材料界面相分析,建立了三种GO在SCF表面接枝状态的微结构模型,分别为“接枝状”,“涂层状”和“包覆状”沉积模型,分析了不同微观接枝形貌GO纳米相发挥的特定界面强化效应。为进一步优化CFs表面改性工艺,为上浆剂涂层改性和GO接枝改性创造适宜的改性微环境并增加表面锚定,预先对原始CFs进行不同改性预处理,即表面酸化、表面上浆、偶联剂浸渍、电化学氧化,制备表面预处理/上浆涂层/氧化石墨烯多重改性碳纤维(GO/P-SCF)。分析不同表面预处理技术对于后期上浆涂层改性和GO接枝改性的影响,以期全面改善复合材料界面层的物理化学作用,提高复合材料界面剪切强度。研究发现,除GO/SCF-APTES外,所有多重改性纤维的表面粗糙度较未处理GO/SCF明显增加。预先酸化使得多重改性纤维表面GO接枝量大、表面粗糙度高;电化学氧化利于GO在SCF表面均匀接枝,界面纳米尺寸效应强化:二次上浆改性纤维可借由-C=O与基体键合成新键;偶联剂预改性纤维因表面官能化和粗糙度增加不足,使得复合材料力学性能改善不明显。所有GO/P-SCF多重改性纤维IFSS均提高,其中,GO/SCF-ECO/EP微滴复合材料IFSS值比未处理GO/SCF/EP增加近12.4%。在此基础上,基于多重改性碳纤维表面粗糙度、-C=O含量和润湿效应等评价因子,深入比较了不同表面预处理技术对复合材料IFSS的影响后发现,GO/SCF-ECO/EP和GO/SCF-Acid/EP的IFSS较高是由于表面含氧官能团丰富和微区机械互锁对复合材料的界面强化作用。说明提高改性纤维的表面化学活性和表面润湿作用是决定改性纤维增强复合材料力学性能的重要因素,应针对CFRP宏观力学指标,采用适宜的表面预处理技术以优化纤维表面特性,综合提高复合材料IFSS。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332
【图文】：

第１章绪论逡逑见图１．２。乳液粒径较大表明体系内大分了数量较多，化学活性较高，利于树脂逡逑基体的润湿。但亲水性浆膜容易吸潮，而且大粒径乳液所形成的的浆膜较厚，易逡逑导致丝束硬挺，不利于成品碳纤维的后加工处理。乳液粒径较小利于形成稳定的逡逑乳液体系，分散体系表面张力低、热力学稳定、各向同性？般具有优异的逡逑渗透性和润湿性，形成的浆膜具有较好的覆盖度和机械强度。另外，纳米级的小逡逑粒径乳胶粒子可以渗入大尺寸乳胶粒子无法到达的的空隙和毛细孔道内部［１Ｇ３］，逡逑填满大尺寸乳胶粒之间空隙，有利于提高上浆剂浆膜的稳定性、附着力、强度、逡逑耐摩擦性和光泽度。但小粒径乳液不利于上浆剂对纤维表面的完整包覆，且引入逡逑的化学活性官能团有限

Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｃｏａｔｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｓｉｚｉｎｇ邋ａｇｅｎｔ邋ｏｎ邋ＣＦｓ逡逑５上浆涂层改性碳纤维增强复合材料制备工艺逡逑通过纤维缠绕成型法制备改性碳纤维／环氧树脂单向复合材料。首先，配树脂（环氧树脂：甲基四氢苯酐：Ｎ，Ｎ－二甲基苄胺＝１００：邋７０：邋Ｉ）；接着纤维缠绕在玻璃框上浸润基体树脂：之后将

本文编号：2775832