炭纖維表面改性及其增強尼龍12復(fù)合材料的研究.pdf

1、炭纖維增強樹脂基復(fù)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(yīng)用于航空航天、交通運輸、運動器材等領(lǐng)域。復(fù)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(yīng)的活性官能團，不利于其與樹脂基體形成良好的界面粘結(jié)，因此對炭纖維進行表面改性以提高兩相間的界面結(jié)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(fù)合材料，首先考察了炭纖維長度對復(fù)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(chǔ)。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(fù)合材料拉伸性能的影響;研究了偶聯(lián)劑種類及用量對復(fù)合材料拉伸性能的影響;通過改變苯胺用量調(diào)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(yīng)時間調(diào)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(fù)合材料拉伸性能的影響。研究工作及取得的主要結(jié)果如下:
　　(1)炭纖維/尼龍12復(fù)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(zhì)量比混合后制得的復(fù)合粉末成型性能良好，復(fù)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(fù)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(fù)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(nèi)酰胺單

5、體聚合接枝，復(fù)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(fù)合材料的拉伸強度可在OCF的基礎(chǔ)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(fù)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(zhì)量的0.3％、0.3％與0.4％，相對應(yīng)的復(fù)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(nèi)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(zhì)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