水性環(huán)氧上漿劑的制備及其在碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料中的應(yīng)用研究.pdf

1、由于碳纖維的脆性，在碳纖維的生產(chǎn)和加工過程中往往會(huì)經(jīng)歷反復(fù)摩擦過程而發(fā)生斷裂，降低了纖維本體強(qiáng)度，且易產(chǎn)生大量毛絲，不利于后續(xù)應(yīng)用。通過上漿工藝，碳纖維表面包覆一層聚合物上漿劑，在保護(hù)碳纖維本體性能同時(shí)可減少毛絲量，改善纖維集束性，使得碳纖維加工性能和生產(chǎn)環(huán)境得到顯著改善。另外，碳纖維表面包覆的上漿樹脂還可增加基體樹脂對(duì)碳纖維的浸潤性，減少界面缺陷，從而能提高纖維與樹脂基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度。由此可見上漿劑在碳纖維生產(chǎn)加工過程中扮演十分重

2、要的角色。
　　本論文首先以環(huán)氧樹脂E-44、E-51及雙酚F型環(huán)氧樹脂BPF為上漿樹脂主體，外加多種復(fù)配乳化劑，制備了一類外加乳化型環(huán)氧上漿劑(EX-SA);其次，以二乙醇胺(DEA)和對(duì)氨基苯甲酸(PABA)分別對(duì)環(huán)氧樹脂E-44進(jìn)行改性，合成了DEA改性E-44和PABA改性E-44兩種新型的環(huán)氧樹脂，并采用自乳化的方法，成功制備了陽離子型上漿劑(CA-SA)和陰離子型上漿劑(AN-SA);再次，以聚乙二醇(PEG)對(duì)環(huán)氧樹

3、脂E-51進(jìn)行改性，合成了PEG改性E-51的環(huán)氧樹脂，自乳化制備了非離子型上漿劑(NO-SA)。探討研究了上述四類環(huán)氧樹脂乳液的最佳制備工藝。采用商購的日本上漿劑(JP-SA)和自制的四類環(huán)氧乳液上漿劑對(duì)碳纖維進(jìn)行上漿處理，對(duì)碳纖維的上漿率、毛絲量、上漿碳纖維的表面形貌和性質(zhì)，以及上漿碳纖維單絲力學(xué)性能等進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，對(duì)上漿碳纖維-聚酰胺復(fù)合材料的機(jī)械性能進(jìn)行了研究。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1、EX-SA的最佳制

4、備條件為環(huán)氧樹脂E-44、離子型乳化劑十二烷基硫酸鈉(SDS)加入量2％、非離子型乳化劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯(T-80)加入量2％、非離子型乳化劑烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)加入量4％、乳化溫度80℃、乳化時(shí)間30 min、加水速率3 mL/min。CA-SA的最佳制備條件為E-44與DEA摩爾比為1∶1.1、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時(shí)間60 min、加冰乙酸成鹽溫度60℃、加水溫度80℃、加水速率5 mL/min。AN-SA的最佳

5、制備條件為PABA與E-44摩爾比1∶1、反應(yīng)溫度80℃、反應(yīng)時(shí)間2h、成鹽時(shí)加入三乙醇胺(TEA)與PABA摩爾比1∶0.8、成鹽溫度65℃，加水溫度60℃。NO-SA的最佳制備條件為E-51與PEG1000的摩爾比1∶1、催化劑三苯基膦(TPP)添加量0.5％、反應(yīng)溫度180℃、反應(yīng)時(shí)間3h、加水溫度80℃。
　　2、EX-SA和JP-SA處理碳纖維的上漿率略高于自乳化上漿劑(CA-SA、AN-SA、NO-SA)處理碳纖維的上

6、漿率。碳纖維經(jīng)上漿處理后，纖維毛絲量有較大幅度的減少。未上漿碳纖維表面有較為明顯凹凸不平的溝槽，上漿后纖維表面溝槽變淺。上漿處理后碳纖維表面O有較大幅度提高，此外，CA-SA和AN-SA處理碳纖維的表面還含有少量N元素。上漿后碳纖維在300-450℃范圍內(nèi)出現(xiàn)上漿劑的失重現(xiàn)象。碳纖維單絲拉伸強(qiáng)度在上漿前后變化不大，但上漿后纖維拉伸強(qiáng)度的離散性減小。
　　3、碳纖維復(fù)合材料的密度隨碳纖維含量的增加而增大，流動(dòng)性隨著碳纖維含量的增加而

7、減小。碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨碳纖維含量的增加而增大，與未上漿碳纖維相比，上漿碳纖維制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度增加，未上漿碳纖維制備復(fù)合材料的懸臂梁缺口(Izod)沖擊強(qiáng)度隨碳纖維含量的增加而減小，而經(jīng)上漿處理后制備復(fù)合材料的Izod沖擊強(qiáng)度隨碳纖維含量的增加先增加后減小。未上漿碳纖維制備復(fù)合材料的斷面，纖維與樹脂基體結(jié)合面光滑，而經(jīng)過上漿處理碳纖維制備復(fù)合材料的斷面，碳纖維與樹脂基體結(jié)合面粗糙，基體樹脂與碳纖維結(jié)合緊