聚丙烯腈基碳纖維的表面修飾及復(fù)合性能研究.pdf

1、碳纖維（carbon fiber，CF）是一種高強(qiáng)度、高模量的高性能纖維，具有優(yōu)越的抗疲勞性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，一般作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相使用。然而由于碳纖維單絲直徑小，表面活性官能團(tuán)含量低，導(dǎo)致纖維在復(fù)合材料中的分散性和與基體之間的界面結(jié)合性較差。因此對(duì)碳纖維進(jìn)行表面修飾，增加纖維表面活性，改善纖維在復(fù)合材料中分散性，提高纖維與基體的界面結(jié)合力尤為重要。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

2、醚磷酸酯銨鹽(O3PNH4)三種有機(jī)電解液對(duì)PAN基碳纖維進(jìn)行電化學(xué)氧化改性，通過(guò)化學(xué)滴定法、單纖維強(qiáng)度儀和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)考察了改性前后碳纖維表面活性官能團(tuán)含量、力學(xué)性能及表面形貌的變化規(guī)律，得到電化學(xué)改性的最佳條件:濃度5 wt％的O3PNH4乳液為電解液，電流密度為2A/g，恒溫50℃電化學(xué)氧化2 min。利用X射線光電子能譜(XPS)、單纖維接觸角儀和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)電化學(xué)改性前后碳纖維的表面基團(tuán)、表面自由能和復(fù)合

3、材料的力學(xué)性能進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)改性后碳纖維表面氧（氮）元素含量增加了15.97％，接觸角下降了30.3°，碳纖維布/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)提高了60.6％，結(jié)果表明:以O(shè)3PNH4為電解液對(duì)碳纖維電化學(xué)改性，可以在幾乎不影響碳纖維力學(xué)性能的前提下，增加碳纖維的表面活性，提高碳纖維纖維與基體的界面結(jié)合性。
　　其次，為了探究碳纖維界面性質(zhì)與其分散行為的關(guān)系，分別選用陰離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸鹽(AEOPK

4、)，陽(yáng)離子表面活性劑季銨鹽(QAN)和非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)作為處理劑對(duì)碳纖維表面進(jìn)行修飾，當(dāng)AEOPK、QAN和AEO的濃度分別為0.5 wt％、0.5 wt％和0.6 wt％，施覆量分別為3.5 mg/g、2.5 mg/g和4.0 mg/g時(shí)，處理后的碳纖維在環(huán)氧樹(shù)脂中分別達(dá)到最佳分散效果。并且通過(guò)FE-SEM、原子力顯微鏡(AFM)、XPS、纖維摩擦系數(shù)儀和法拉第筒對(duì)處理前后碳纖維一系列的表面性質(zhì)進(jìn)行表征，結(jié)果

5、表明，處理劑分子可在碳纖維表面均勻分布，減小纖維表面粗糙度，增加纖維表面活性基團(tuán)含量，降低纖維表面的摩擦系數(shù)，增加纖維表面的電荷量，從而改善纖維在環(huán)氧樹(shù)脂基體中分散性。此外，研究發(fā)現(xiàn)若處理劑為離子型表面活性劑，纖維分散系數(shù)與表面電荷量成正比;若處理劑為菲離子表面活性劑，纖維分散系數(shù)與摩擦系數(shù)成反比。根據(jù)以上關(guān)系建立了一種利用碳纖維表面電荷量和摩擦系數(shù)，快速評(píng)價(jià)纖維在基體中分散性的方法。
　　然后，為了進(jìn)一步提高碳纖維在復(fù)合材料中的

6、分散性和與基體之間的界面結(jié)合性，制備了己二酸改性環(huán)氧樹(shù)脂鉀鹽(AAEK)、二乙醇胺改性環(huán)氧樹(shù)脂季銨鹽(DAEQAC)、聚乙二醇改性環(huán)氧樹(shù)脂(PEGE)三種類(lèi)型的水性環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)合成工藝優(yōu)化分別確定了AAEK、DAEQAC和PEGE合成的最佳條件。之后對(duì)三種水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液的機(jī)械穩(wěn)定性、表面張力、接觸角、粒徑分布和粘度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，當(dāng)AAEK、DAEQAC和PEGE的濃度分別為1.0 wt％、0.8wt％和1.0 wt％，環(huán)氧值分

7、別為0.06 mol/100g、0.07 mol/100g和0.03 mol/100g時(shí)，它們的表面張力和與碳纖維的接觸角最小，粒徑較小，分布區(qū)間較窄，具有高親水性，與進(jìn)口上漿劑的乳液性質(zhì)接近，可作為碳纖維上漿劑使用。
　　最后，選用AAEK、DAEQAC、PEGE和進(jìn)口上漿劑乳液對(duì)碳纖維表面施覆改性，采用建立的分散性評(píng)價(jià)方法分析了上漿劑對(duì)碳纖維在環(huán)氧樹(shù)脂中的影響，發(fā)現(xiàn)AAEK、DAEQAC、PEGE和進(jìn)口上漿劑在碳纖維表面的最佳

8、施覆量分別為3.0 mg/g、2.0 mg/g、2.0 mg/g和3.0 mg/g;四種上漿齊中，AAEK對(duì)于改善碳纖維在環(huán)氧樹(shù)脂中分散性的效果最好。通過(guò)FE-SEM、AFM、XPS和單纖維強(qiáng)度儀分析了上漿劑施覆改性對(duì)碳纖維表面形貌、粗糙度、活性基團(tuán)含量和斷裂強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:上漿劑可以修飾碳纖維表面的缺陷，減小纖維的表面粗糙度，增加纖維的表面活性，提高纖維的斷裂強(qiáng)度。通過(guò)吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究表明AAEK在碳纖維表面的吸附是介于單

9、分子層和多分子層之間的吸熱過(guò)程，符合Freundlich吸附等溫和偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。之后采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分析了上漿劑對(duì)碳纖維復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和ILSS的影響，結(jié)果表明AAEK改性后的碳纖維短絲/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和碳纖維布/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的ILSS相比于改性前分別提高了168％和139％，綜合考慮可以確定AAEK施覆量適宜區(qū)間為3.0～5.0 mg/g。對(duì)比AAEK和進(jìn)口上漿劑改性后復(fù)合材料的力學(xué)性能可知，AAEK在提高碳纖