聚丙烯腈基碳纤维的表面修饰及复合性能研究

发布时间：2017-12-26 01:05

本文关键词：聚丙烯腈基碳纤维的表面修饰及复合性能研究　出处：《天津工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：碳纤维(carbon fiber,CF)是一种高强度、高模量的高性能纤维,具有优越的抗疲劳性、化学稳定性和耐热性,一般作为复合材料的增强相使用。然而由于碳纤维单丝直径小,表面活性官能团含量低,导致纤维在复合材料中的分散性和与基体之间的界面结合性较差。因此对碳纤维进行表面修饰,增加纤维表面活性,改善纤维在复合材料中分散性,提高纤维与基体的界面结合力尤为重要。本文首先采用脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯(O3P)、三乙醇胺(TEOA)和脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯铵盐(O3PNH4)三种有机电解液对PAN基碳纤维进行电化学氧化改性,通过化学滴定法、单纤维强度仪和场发射扫描电镜(FE-SEM)考察了改性前后碳纤维表面活性官能团含量、力学性能及表面形貌的变化规律,得到电化学改性的最佳条件:浓度5 wt%的O3PNH4乳液为电解液,电流密度为2 A/g,恒温50℃电化学氧化2min。利用X射线光电子能谱(XPS)、单纤维接触角仪和万能材料试验机对电化学改性前后碳纤维的表面基团、表面自由能和复合材料的力学性能进行表征,发现改性后碳纤维表面氧(氮)元素含量增加了15.97%,接触角下降了 30.3°,碳纤维布/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)提高了60.6%,结果表明:以O3PNH4为电解液对碳纤维电化学改性,可以在几乎不影响碳纤维力学性能的前提下,增加碳纤维的表面活性,提高碳纤维纤维与基体的界面结合性。其次,为了探究碳纤维界面性质与其分散行为的关系,分别选用阴离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸盐(AEOPK),阳离子表面活性剂季铵盐(QAN)和非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)作为处理剂对碳纤维表面进行修饰,当AEOPK、QAN和AEO的浓度分别为0.5 wt%、0.5 wt%和0.6 wt%,施覆量分别为3.5 mg/g、2.5 mg/g和4.0 mg/g时,处理后的碳纤维在环氧树脂中分别达到最佳分散效果。并且通过FE-SEM、原子力显微镜(AFM)、XPS、纤维摩擦系数仪和法拉第筒对处理前后碳纤维一系列的表面性质进行表征,结果表明,处理剂分子可在碳纤维表面均匀分布,减小纤维表面粗糙度,增加纤维表面活性基团含量,降低纤维表面的摩擦系数,增加纤维表面的电荷量,从而改善纤维在环氧树脂基体中分散性。此外,研究发现若处理剂为离子型表面活性剂,纤维分散系数与表面电荷量成正比;若处理剂为非离子表面活性剂,纤维分散系数与摩擦系数成反比。根据以上关系建立了一种利用碳纤维表面电荷量和摩擦系数,快速评价纤维在基体中分散性的方法。然后,为了进一步提高碳纤维在复合材料中的分散性和与基体之间的界面结合性,制备了己二酸改性环氧树脂钾盐(AAEK)、二乙醇胺改性环氧树脂季铵盐(DAEQAC)、聚乙二醇改性环氧树脂(PEGE)三种类型的水性环氧树脂,通过合成工艺优化分别确定了 AAEK、DAEQAC和PEGE合成的最佳条件。之后对三种水性环氧树脂乳液的机械稳定性、表面张力、接触角、粒径分布和粘度进行测试,结果表明,当AAEK、DAEQAC和PEGE的浓度分别为1.0wt%、0.8 wt%和 1.0 wt%,环氧值分别为 0.06 mol/100g、0.07 mol/100g 和 0.03 mol/100g 时,它们的表面张力和与碳纤维的接触角最小,粒径较小,分布区间较窄,具有高亲水性,与进口上浆剂的乳液性质接近,可作为碳纤维上浆剂使用。最后,选用AAEK、DAEQAC、PEGE和进口上浆剂乳液对碳纤维表面施覆改性,采用建立的分散性评价方法分析了上浆剂对碳纤维在环氧树脂中的影响,发现AAEK、DAEQAC、PEGE和进口上浆剂在碳纤维表面的最佳施覆量分别为3.0 mg/g、2.0 mg/g、2.0 mg/g和3.0 mg/g;四种上浆剂中,AAEK对于改善碳纤维在环氧树脂中分散性的效果最好。通过FE-SEM、AFM、XPS和单纤维强度仪分析了上浆剂施覆改性对碳纤维表面形貌、粗糙度、活性基团含量和断裂强度的影响。结果表明:上浆剂可以修饰碳纤维表面的缺陷,减小纤维的表面粗糙度,增加纤维的表面活性,提高纤维的断裂强度。通过吸附热力学和动力学研究表明AAEK在碳纤维表面的吸附是介于单分子层和多分子层之间的吸热过程,符合Freundlich吸附等温和伪二级动力学模型。之后采用万能材料试验机分析了上浆剂对碳纤维复合材料弯曲强度和ILSS的影响,结果表明AAEK改性后的碳纤维短丝/环氧树脂复合材料的弯曲强度和碳纤维布/环氧树脂复合材料的ILSS相比于改性前分别提高了 168%和139%,综合考虑可以确定AAEK施覆量适宜区间为3.0～5.0 mg/g。对比AAEK和进口上浆剂改性后复合材料的力学性能可知,AAEK在提高碳纤维在环氧树脂基体中的分散性方面,效果优于进口上浆剂,但是对于提高碳纤维与环氧树脂的界面结合性能,AAEK的改性效果比进口上浆剂略差。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ342.742;TB332

【相似文献】