应用于尼龙基体的碳纤维水性上浆剂的制备及其性能研究

发布时间：2020-04-09 03:41

【摘要】：碳纤维增强复合材料因具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、强度高、质量轻及结构尺寸稳定性好等优异性能而被广泛应用。其中因作为复合材料树脂基体的热塑性树脂同热固性树脂相比具有加热软化、冷却硬化、可反复加工利用、在反复受热时不发生化学变化、耐热性高、可在磨具中赋形和冷却定型及机械性能高等优点而成为本文研究的对象。传统的碳纤维增强复合材料多以热固性树脂作为基体,与其相对应而研发的多为热固性上浆剂,而对于热塑性树脂基体来说,该类上浆剂因与其结构迥异而导致在应用于碳纤维表面后无法与树脂基体形成良好的界面结合,进而造成制备的复合材料的力学性能较差。另外,目前国内外研究的热塑性上浆剂多为溶剂型上浆剂,该类上浆剂对环境和人体有较大的危害。为此,本文根据热塑性树脂基体的特点设计研发了一种水性热塑性碳纤维上浆剂以期更大程度上的提高热塑性复合材料的力学性能。实验初始直接选取热塑性树脂聚酰胺6(PA6)为原料,通过加入磷酸酯(03P)而引入亲水性基团,进而开环制得水溶性改性聚己内酰胺上浆剂(TF03PPA)。通过水溶性和接触角确定出反应的最佳工艺为:反应原料为PA6和03P,反应时间为4h,反应温度为200℃,投料比为1:4。后对产物的红外和核磁进行了结构的测试分析,并对该乳液的界面性能、热力学性能等进行了分析。通过乳液表面张力和接触角等的测试得出乳液浓度为1.0 wt%时性能最佳。后对碳纤维进行上浆处理,并通过X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纤维强伸度仪(XQ-1A)等对改性前后碳纤维的表面基团变化、表面形貌及单丝强度变化进行了表征。结果表明:碳纤维表面含氧活性基团含量明显增加,表面覆盖一层浆料,粗糙度明显减小,且碳纤维单丝的强度明显增加。实验最终以改性前后的碳纤维和碳纤维布为增强材料,以热塑性聚己内酰胺树脂为基体制备了复合材料。并利用万能材料试验机对复合材料的力学性能进行了表征。结果改性后的碳纤维/聚己内酰胺树脂复合材料的弯曲强度提高了35%,碳纤维布/聚己内酰胺树脂复合材料的层间剪切强度提高了46%,说明经该上浆剂处理后的复合材料的界面性能和力学性能都有了明显的提高,进一步证明本文研制的上浆剂可成功的应用于热塑性复合材料中。
【图文】：

示意图,界面层,示意图,复合材料

图１－２碳纤维增强树脂基复合材料界面层示意图逡逑Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｆｉｂｒｅ邋ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ邋ｒｅｓｉｎ邋ｍａｔｒｉｘ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ邋ｌａｙｅｒ逡逑热固性树脂基复合材料逡逑强热固性复合材料是指以碳纤维为增强材料２°］，，并以热固性树酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体制成的复合材料：２１］。在碳纤材料中，因作为基体的环氧树脂具备良好的电绝缘性、耐腐蚀优异的机械强度，因此其与碳纤维的结合所制备的复合材料被广轻工、机械等各个领域。但该类复合材料制备工艺较为复杂，是在固化后，分子间易产生缠绕，形成了较为复杂的空间网状结较大，进而导致复合材料的脆性较大，再次加工受热时既不能软机械性能变差且无法回收再利用，易造成环境污染［２２１。逡逑热塑性树脂基复合材料逡逑＆２Ｓ１，

谱图,产物,吸收峰,伸缩振动

２．３．２改性聚己内酰胺的结构表征逡逑２．３．２．１改性聚己内酿胺的ＦＴＩＲ谱图分析逡逑图２－７为ＴＦ０３ＰＰＡ的ＦＴＩＲ谱图。从图中可以看出，３２９２ｃｍ－１和９７７ｃｍ－１处逡逑有明显的吸收峰，这是由Ｎ－Ｈ伸缩振动产生的，２９３５ｃｍ－１和２８６２ｃｍ１处分别为逡逑亚甲基的反对称和对称伸缩振动吸收峰，在１６４４ｃｍ－１和６８８ｃｍ－１处存在较强的酰逡逑胺Ｉ谱带，它是由酰胺基的００伸缩振动引起的，在１５３７ＣＨＶ１和１２３５０１＾处存逡逑在酰胺ＩＩ谱带，这是由Ｃ－Ｎ伸缩振动和Ｎ－Ｈ弯曲振动耦合引起的吸收峰，以上逡逑为ＰＡ６的特征谱带。而上述特征谱带在改性后的ＴＦ０３ＰＰＡ中皆有体现，且有新逡逑的吸收峰产生，具体为：１７３０ＣＩ１Ｔ１处为羧酸中Ｃ＝０的伸缩振动吸收峰，１０９７ｃｍ－１逡逑处为ＰＯ的伸缩振动吸收峰
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ327.3

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