炭纖維用雜化漿料的合成及其對復(fù)合材料界面增效研究.pdf

1、聚合物/無機(jī)雜化材料不僅綜合了聚合物和無機(jī)物各自的優(yōu)點(diǎn)，而且糅合了一定的納米效應(yīng)，從而產(chǎn)生許多優(yōu)異的性能。將聚合物/無機(jī)雜化材料引入到炭纖維表面，研究其對炭纖維與樹脂基體的界面增效，這對于纖維表面改性方法的豐富和改性機(jī)理的深入探索具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 本文分別針對環(huán)氧基體和異構(gòu)聚酰亞胺基體設(shè)計(jì)合成了炭纖維表面環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料和異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料。采用溶膠-凝膠法合成納米SiO2先驅(qū)體，用(γ-

2、異氰酸酯基)丙基三乙氧基硅烷改性的環(huán)氧樹脂對納米SiO2先驅(qū)體進(jìn)行原位改性，然后合成環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料。通過紅外光譜分析證實(shí)環(huán)氧樹脂與SiO2粒子之間形成了化學(xué)鍵，納米粒度分析表明該雜化漿料中SiO2粒子在納米尺度范圍內(nèi)，并具有較好的貯存穩(wěn)定性。利用苯乙炔苯酐和γ-氨丙基三乙氧基硅烷反應(yīng)合成(γ-苯乙炔亞胺基)丙基三乙氧基硅烷(PEIPTES)，采用元素分析、紅外光譜和核磁共振碳譜對合成產(chǎn)物進(jìn)行了表征，綜合熱分析和溶解性測試結(jié)果

3、表明該化合物具有較好的熱性能和溶解性能。用PEIPTES制備PEIPTES改性納米SiO2先驅(qū)體，并由異構(gòu)聚酰亞胺樹脂和PEIPTES改性納米SiO2先驅(qū)體制備異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料。紅外光譜和核磁共振硅譜分析說明PEIPTES與SiO2粒子之間以化學(xué)鍵結(jié)合，雜化漿料中硅元素以硅氧網(wǎng)絡(luò)、硅羥基以及硅-碳形式存在，納米粒度分析證實(shí)該雜化漿料具有較好的貯存穩(wěn)定性，SiO2粒子是納米級別。探討了納米SiO2粒子原位改性作用機(jī)理，環(huán)

4、氧樹脂或PEIPTES對納米SiO2粒子的原位改性，使納米SiO2粒子之間的總排斥勢能大幅增加，扼制了納米SiO2粒子的團(tuán)聚，顯著提高了納米SiO2粒子的尺寸穩(wěn)定性。 采用SEM和綜合熱分析儀分析了環(huán)氧/納米SiO2雜化膜的結(jié)構(gòu)和熱性能。研究炭纖維表面環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性對炭纖維/環(huán)氧微復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度、復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度和沖擊性能的影響，并利用SEM觀察計(jì)算炭纖維表面形成涂層的厚度，確定了環(huán)氧/納米SiO2雜化

5、漿料的合成工藝。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性不僅能改善復(fù)合材料的界面性能，而且提高了材料的沖擊性能。環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性與電化學(xué)氧化改性相結(jié)合，進(jìn)一步改善了復(fù)合材料性能。 利用SEM和綜合熱分析儀分析了異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化膜的結(jié)構(gòu)和熱性能。研究炭纖維表面異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性對炭纖維/異構(gòu)聚酰亞胺微復(fù)合材料界面剪切強(qiáng)度的影響，并利用SEM觀察計(jì)算炭纖維表面形成涂層的厚度，確定異構(gòu)聚

6、酰亞胺/納米SiO2雜化漿料的合成工藝。將異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性與電化學(xué)氧化改性相結(jié)合，能夠進(jìn)一步改善復(fù)合材料的界面性能。對炭纖維/異構(gòu)聚酰亞胺復(fù)合材料性能的研究表明異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性同時(shí)提高了復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度、沖擊性能和耐熱性能。 通過XPS分析和扭辮分析證實(shí)兩種雜化漿料中的Si-OH能與炭纖維表面的C-OH和COOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成與炭纖維牢固結(jié)合的雜化涂層，雜化涂層中的環(huán)氧環(huán)或苯乙

7、炔基分別參與各自基體的固化反應(yīng)，形成了具有化學(xué)鍵合的強(qiáng)界面，從而改善了界面性能，揭示化學(xué)鍵作用增效機(jī)制。浸潤實(shí)驗(yàn)、SEM分析和AFM分析表明雜化漿料在炭纖維表面產(chǎn)生了納米效應(yīng)，增加了炭纖維表面粗糙度和表面能、提高了炭纖維表面浸潤性能，同時(shí)形成良好的嵌接或嚙合，提高機(jī)械絞合強(qiáng)度，改善了界面性能，闡明浸潤作用增效機(jī)制和嚙合作用增效機(jī)制。納米壓痕性能分析說明聚合物/無機(jī)雜化界面層的力學(xué)性能高于相應(yīng)的樹脂基體，能夠起到均勻傳遞應(yīng)力的作用，改善了