基于电聚合技术的碳纤维表面改性及应用研究

发布时间：2020-05-22 12:31

【摘要】：随着高性能复合材料在当今世界的迅速发展,碳纤维作为一种重要的新型增强材料,近年来被广泛应用于航空航天、化工等众多领域。但是碳纤维存在表面能低、与树脂的界面结合性差等缺点使得碳纤维增强复合材料的优异性能难以发挥。因此通过对碳纤维表面进行改性,以改善碳纤维和树脂基之间的界面性能。电化学聚合是一种在电极表面发生聚合反应进而形成聚合物的方法,该方法具有操作简单、工艺参数易调可控等优点,因而成为碳纤维表面改性处理方法中的热点。本课题设计以LiClO_4为电解质,乙腈为溶剂,分别采用生物相容性好的甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯(MPGA)和导电性优良的聚噻吩(PTh)为单体,通过循环伏安法电化学聚合改性碳纤维,为了提高碳纤维的表面性能。实验分别研究了两个体系的单体浓度、循环次数、扫描速率和电解质浓度对电聚合反应峰值电位、电流的影响,另外研究了第三个体系MPGA和PTh不同浓度比对电化学共聚合的影响。利用交流阻抗图谱分析改性后的碳纤维电化学性能及机理探讨。采用红外光谱分析(FTIR)、能谱分析(EDS)、热失重分析(TGA)、接触角测试和扫描电镜(SEM)对碳纤维表面的聚合物结构进行表征。结果表明,循环次数增加导致碳纤维表面聚合物增多,当MPGA循环扫描60次,PTh循环扫描50次时电化学聚合反应完全;MPGA与PTh以3:1浓度比在碳纤维表面进行电化学共聚合时,双层界面电容Cdl值达到最大,碳纤维的电化学共聚合效果最好。通过模拟电路分析得到电化学聚合的反应机理为自由基聚合机理,其聚合机制符合阳离子自由基聚合规律。红外分析发现电聚合MPGA的碳纤维(MPGA-CF)表面接枝上了C=O,C-O-C官能团;电聚合噻吩的碳纤维(PTh-CF)表面接枝上了C=C,C-S-C官能团;电化学共聚合MPGA和噻吩的碳纤维表面接枝上C=O,C-O-C,C=C和C-S官能团。电聚合改性后碳纤维的浸润性得到明显改善,均由疏水性变成亲水性,并且MPGA-CF接触角减小最明显为47.4o;热性能分析比较发现,MPGA-CF的接枝率最大约10%;SEM照片观察改性后的碳纤维表面有大量聚合物,有效地改善了碳纤维的表面结构。分别以MPGA-CF和PTh-CF为增强相,研究电聚合改性后的碳纤维对环氧树脂基复合材料界面性能的影响。MPGA-CF、PTh-CF/环氧树脂复合材料的拉伸强度分别提高了156.4%、86.37%,层间剪切强度(ILSS)分别提高了134.81%、76.75%,屈服强度分别高出4.1倍和1.76倍;SEM照片表明未经改性的碳纤维与树脂基体之间存在较大的间隙和凹槽,界面粘结力较差,MPGA-CF和PTh-CF与环氧树脂粘结强度良好且断面无明显凹槽,界面性能得到明显改善。
【图文】：

入四氟乙烯模具中，在烘箱放置固化 3h，固化温度为 90℃，制备成 GB/T2567-2008 碳纤维/环氧树脂复合材料。碳纤维的电聚合和复合材料制备的示意图如图 2.1 所示。图2.1 碳纤维的电聚合和复合材料制备的示意图Fig. 2.1SchematicdiagramofelectropolymerizationofCF andthe preparationofcomposites.

第 3 章 结果与讨论47图3.45 碳纤维与超纯水接触角的光学照片（A）未处理的碳纤维、（B）预处理的碳纤维、（C）电聚合噻吩的碳纤维、（D）电聚合MPGA-噻吩的碳纤维、（E）电聚合MPGA的碳纤维Fig. 3.45 Opticalphoto ofthecontactangle between CF andultrapure water(A) untreated CF, (B) pretreatedCF, (C)CF ofelectropolymerizedthiophene, (D) CFofelectropolymerizedMPGA-thiophene,(E) CF ofelectropolymerizedMPGA3.4.5 碳纤维表面微观形貌分析如图3.46，分别为预处理碳纤维、电化学聚合 MPGA的碳纤维、电聚合噻吩的碳纤维和电聚合 MPGA-噻吩的碳纤维扫描电镜照片。由图 A 可以观察到预处理的碳纤维表面比较光滑洁净，，仅有少量沿着纤维平行方向排列的沟槽，这是碳纤维生产过程产生的。经过电化学聚合 MPGA的碳纤维 B 表面有大量的聚合物富集，这些聚合物以颗粒形状聚集在表面，明显增加了表面粗糙程度，这是由于碳纤维表面接枝了MPGA 聚合物[75]。经过电化学聚合噻吩的碳纤维 C 表面有大量的片状聚合物富集，可以明显观察到噻吩聚合物以片层结构聚集在碳纤维表面，有效改善了碳纤维的表面特性，形成更多的聚合活性点。而经过电化学聚合 MPGA-噻吩的碳纤维 D 表面有块状聚合物富集，并在局部区域形成较大的块状颗粒，使碳纤维表面活性增强。对比 A～D 电化学聚合改性碳纤维的 SEM 图可知
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ342.742;TB306

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本文编号：2676001