炭纖維表面改性及其增強尼龍12復合材料的研究.pdf

1、炭纖維增強樹脂基復合材料因具有高強度、高模量和低密度等特點，近年來廣泛應用于航空航天、交通運輸、運動器材等領域。復合材料力學性能的充分發(fā)揮取決于炭纖維與樹脂基體間的界面性能，但未經(jīng)改性的炭纖維表面光滑，呈化學惰性，缺少與樹脂基體反應的活性官能團，不利于其與樹脂基體形成良好的界面粘結，因此對炭纖維進行表面改性以提高兩相間的界面結合一直是研究的熱點之一。
　　本論文以尼龍12(PA12)為基體，炭纖維(CF)為增強材料，制備炭纖維/尼

2、龍12復合材料，首先考察了炭纖維長度對復合材料拉伸性能的影響，然后采用三種方法對炭纖維進行表面改性處理，分別為硝酸氧化法、偶聯(lián)劑處理法及化學接枝法，且將硝酸氧化法作為另外兩種改性方法的基礎。探討了氧化溫度和氧化時間對炭纖維表面官能團含量及復合材料拉伸性能的影響;研究了偶聯(lián)劑種類及用量對復合材料拉伸性能的影響;通過改變苯胺用量調控炭纖維表面聚苯胺的接枝量，通過改變引發(fā)劑用量和聚合反應時間調控炭纖維表面尼龍6(PA6)的接枝量，考察了接枝聚

3、合物種類對復合材料拉伸性能的影響。研究工作及取得的主要結果如下:
　　(1)炭纖維/尼龍12復合材料的拉伸強度隨著炭纖維長度的增加而增大，當炭纖維長度為150-250μm(-60～+100目)時，由該炭纖維與平均粒徑為50μm的尼龍12粉末按3∶7的質量比混合后制得的復合粉末成型性能良好，復合材料的拉伸強度可達53.30MPa，與純尼龍12(37.18MPa)相比，提高了43.35％。
　　(2)用濃硝酸對炭纖維進行氧化處理

4、后，炭纖維表面潔凈度提高，溝槽變多或加深，氧元素含量增加，羥基、羧基等含氧官能團增多。80℃、2h氧化后，炭纖維表面羥基含量最大，80℃、4h氧化后，炭纖維表面羧基含量最大。以這兩種硝酸氧化炭纖維為原料制備的氧化炭纖維/尼龍12復合材料的拉伸強度分別為60.70MPa與61.32MPa。硝酸氧化溫度與氧化時間對復合材料拉伸性能的影響較小。
　　(3)原料炭纖維表面活性較低，偶聯(lián)劑處理后改性增強效果不明顯，也無法引發(fā)苯胺或己內酰胺單

5、體聚合接枝，復合材料的拉伸強度與原料CF/PA12相比相差不大。
　　(4)硝酸氧化炭纖維(簡記為OCF)再經(jīng)偶聯(lián)劑處理后，復合材料的拉伸強度可在OCF的基礎上進一步提高，γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)與異丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)鈦酸酯(HY201)三種偶聯(lián)劑均有良好的增強效果。隨著偶聯(lián)劑用量增加，復合材料拉伸強度先增大后減小，KH550、KH560與HY201的最佳用量分

6、別為炭纖維質量的0.3％、0.3％與0.4％，相對應的復合材料的拉伸強度分別達到66.34MPa，66.82MPa與68.81MPa。
　　(5)炭纖維經(jīng)硝酸氧化后表面存在一定量的羧基，有利于苯胺和己內酰胺的聚合接枝。對于聚苯胺接枝氧化炭纖維，隨著苯胺/炭纖維質量比逐漸減小，聚苯胺在炭纖維表面的接枝量逐漸減少，分布也更加均勻。對于尼龍6接枝氧化炭纖維，引發(fā)劑用量較低時，接枝量也較低，隨著引發(fā)劑用量增加，接枝量增加但存在最佳值;隨著