应用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备及性能研究

发布时间：2017-05-24 17:18

  本文关键词：应用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纤维增强复合材料因其强度高、质量轻、抗腐蚀能力强、电磁性能优良、耐疲劳性好等优异性能而被广泛应用。其中,碳纤维增强热塑性复合材料因其加工成型工艺简单、生产周期短和可回收再利用等特点,近来在复合材料领域备受关注。但传统的碳纤维增强复合材料基体以热固性树脂为主,因此,处理碳纤维的上浆剂也是以针对热固性树脂的;关于热塑性树脂的碳纤维上浆剂的研究较少。因此制备能应用于热塑性基体的上浆剂越来越受到人们的重视。特别是水为溶剂的水性上浆剂,因溶剂是水,有利于减少环境负荷。为此,本文设计以水性聚氨酯为主要成分,通过加入无机SiO2和Al2O3杂化粒子,制备出一种适合热塑性基体的碳纤维水性上浆剂,以改善碳纤维的表面形貌,增强碳纤维的表面活性,利用上浆剂处理后的碳纤维制备热塑性复合材料,界面结合强度有明显的提高,为碳纤维增强热塑性复合材料的发展提供参考。首先,在对碳纤维和热塑性基体的特性进行分析的基础上,设计了一种以水性聚氨酯为主要成分的有机无机杂化涂剂(上浆剂);为了获得大小均一、粒径较小的无机杂化粒子,实验中以固体酸为催化剂,制备了硅溶胶、铝溶胶和硅铝杂化溶胶,并将制备的溶胶加入到水性聚氨酯中,合成出水性上浆剂。并对水性上浆剂的形态、稳定性、上浆剂中无机粒子的粒径大小及分布和黏度等进行研究,结果表明:合适组分的水性上浆剂乳液具有良好的稳定性。其次,选用上述制备的性能较好的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性,采用傅里叶红外光谱(FTIR)、热场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等仪器对经过上浆后的碳纤维的表面化学结构、物理形貌以及力学性能进行了测试分析。结果表明:经过水性上浆剂处理后的碳纤维表面含氧基团明显增加,碳纤维表面覆盖有一层附有颗粒的膜,碳纤维单丝的力学性能也得到了明显提高。最后,以水性上浆剂处理后的碳纤维为增强材料,以通用的热塑性树脂尼龙6为基体,制备成复合材料,研究上浆剂处理对复合材料的拉伸性能、弯曲性能、热力学性能、热稳定性能和界面性能的影响,结果表明,利用本文设计合成的水性上浆剂改性后的碳纤维制备的碳纤维增强尼龙6复合材料,其界面性能和力学性能有了明显的改善,表明设计合成的水性上浆剂可应用于碳纤维增强的热塑性复合材料。
【关键词】：碳纤维 上浆剂 表面改性 溶胶凝胶 界面强度
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 碳纤维11-12
• 1.1.1 碳纤维的结构与性能11-12
• 1.1.2 碳纤维的应用12
• 1.2 碳纤维增强树脂基复合材料12-18
• 1.2.1 碳纤维增强热固性树脂复合材料12-13
• 1.2.2 碳纤维增强热塑性树脂复合材料13-14
• 1.2.3 碳纤维增强树脂基复合材料的界面14-18
• 1.3 论文研究的目的及意义18-19
• 1.4 论文的主要内容及创新点19-21
• 1.4.1 论文的主要内容19
• 1.4.2 论文的创新点19-21
• 第二章 碳纤维水性上浆剂的制备及性能研究21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 实验部分21-26
• 2.2.1 实验材料及试剂21-22
• 2.2.2 实验主要设备22
• 2.2.3 硅溶胶、铝溶胶及硅铝杂化溶胶设计及制备22-24
• 2.2.4 碳纤维水性上浆剂的结构设计与制备24-25
• 2.2.5 溶胶的形貌观察25
• 2.2.6 水性上浆剂的形貌观察25
• 2.2.7 水性上浆剂性能的测试25-26
• 2.3 结果与讨论26-30
• 2.3.1 溶胶的形貌26
• 2.3.2 不同配比的水性上浆剂的形貌26-28
• 2.3.3 水性上浆剂的稳定性28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 水性上浆剂对碳纤维的表面改性31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-33
• 3.2.1 实验材料及试剂31
• 3.2.2 实验主要设备31-32
• 3.2.3 碳纤维的上浆过程32
• 3.2.4 结构性能测试32
• 3.2.5 碳纤维表面的形貌观察32
• 3.2.6 单丝拉伸强度测试32-33
• 3.3 结果与讨论33-40
• 3.3.1 上浆剂处理对碳纤维表面化学性能的影响33-34
• 3.3.2 上浆剂处理对碳纤维表面形貌的影响34-36
• 3.3.3 上浆剂处理对碳纤维单丝强度的影响36-40
• 3.3.4 上浆剂与碳纤维表面的作用机理探讨40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 上浆剂处理对碳纤维增强热塑性复合材料的热力学性能的影响42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 实验部分42-46
• 4.2.1 实验材料及试剂42-43
• 4.2.2 实验主要设备43
• 4.2.3 碳纤维织物的预处理43
• 4.2.4 碳纤维织物的上浆处理43
• 4.2.5 碳纤维织物增强尼6复合材料的制备43-44
• 4.2.6 碳纤维织物抽拔试样的制备44-45
• 4.2.7 碳纤维织物/尼龙6复合材料的力学性能测试45-46
• 4.3 结果与讨论46-55
• 4.3.1 上浆剂处理对碳纤维织物增强尼龙6复合材料的力学性能的影响46-51
• 4.3.2 上浆剂处理对碳纤维织物增强尼龙6复合材料热性能的影响51-52
• 4.3.3 上浆剂处理对碳纤维织物增强尼龙6复合材料界面性能的影响52-54
• 4.3.4 上浆剂与碳纤维织物增强尼龙6复合材料界面的作用机理探讨54-55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 结论与建议57-59
• 5.1 结论57-58
• 5.2 建议58-59
• 参考文献59-64
• 硕士期间的研究成果64-65
• 致谢65

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本文编号：391451