發(fā)布時間：2020-05-22 12:31

【摘要】：隨著高性能復(fù)合材料在當今世界的迅速發(fā)展,碳纖維作為一種重要的新型增強材料,近年來被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工等眾多領(lǐng)域。但是碳纖維存在表面能低、與樹脂的界面結(jié)合性差等缺點使得碳纖維增強復(fù)合材料的優(yōu)異性能難以發(fā)揮。因此通過對碳纖維表面進行改性,以改善碳纖維和樹脂基之間的界面性能。電化學(xué)聚合是一種在電極表面發(fā)生聚合反應(yīng)進而形成聚合物的方法,該方法具有操作簡單、工藝參數(shù)易調(diào)可控等優(yōu)點,因而成為碳纖維表面改性處理方法中的熱點。本課題設(shè)計以LiClO_4為電解質(zhì),乙腈為溶劑,分別采用生物相容性好的甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯(MPGA)和導(dǎo)電性優(yōu)良的聚噻吩(PTh)為單體,通過循環(huán)伏安法電化學(xué)聚合改性碳纖維,為了提高碳纖維的表面性能。實驗分別研究了兩個體系的單體濃度、循環(huán)次數(shù)、掃描速率和電解質(zhì)濃度對電聚合反應(yīng)峰值電位、電流的影響,另外研究了第三個體系MPGA和PTh不同濃度比對電化學(xué)共聚合的影響。利用交流阻抗圖譜分析改性后的碳纖維電化學(xué)性能及機理探討。采用紅外光譜分析(FTIR)、能譜分析(EDS)、熱失重分析(TGA)、接觸角測試和掃描電鏡(SEM)對碳纖維表面的聚合物結(jié)構(gòu)進行表征。結(jié)果表明,循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致碳纖維表面聚合物增多,當MPGA循環(huán)掃描60次,PTh循環(huán)掃描50次時電化學(xué)聚合反應(yīng)完全;MPGA與PTh以3:1濃度比在碳纖維表面進行電化學(xué)共聚合時,雙層界面電容Cdl值達到最大,碳纖維的電化學(xué)共聚合效果最好。通過模擬電路分析得到電化學(xué)聚合的反應(yīng)機理為自由基聚合機理,其聚合機制符合陽離子自由基聚合規(guī)律。紅外分析發(fā)現(xiàn)電聚合MPGA的碳纖維(MPGA-CF)表面接枝上了C=O,C-O-C官能團;電聚合噻吩的碳纖維(PTh-CF)表面接枝上了C=C,C-S-C官能團;電化學(xué)共聚合MPGA和噻吩的碳纖維表面接枝上C=O,C-O-C,C=C和C-S官能團。電聚合改性后碳纖維的浸潤性得到明顯改善,均由疏水性變成親水性,并且MPGA-CF接觸角減小最明顯為47.4o;熱性能分析比較發(fā)現(xiàn),MPGA-CF的接枝率最大約10%;SEM照片觀察改性后的碳纖維表面有大量聚合物,有效地改善了碳纖維的表面結(jié)構(gòu)。分別以MPGA-CF和PTh-CF為增強相,研究電聚合改性后的碳纖維對環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料界面性能的影響。MPGA-CF、PTh-CF/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度分別提高了156.4%、86.37%,層間剪切強度(ILSS)分別提高了134.81%、76.75%,屈服強度分別高出4.1倍和1.76倍;SEM照片表明未經(jīng)改性的碳纖維與樹脂基體之間存在較大的間隙和凹槽,界面粘結(jié)力較差,MPGA-CF和PTh-CF與環(huán)氧樹脂粘結(jié)強度良好且斷面無明顯凹槽,界面性能得到明顯改善。
【圖文】：

入四氟乙烯模具中，在烘箱放置固化 3h，固化溫度為 90℃，制備成 GB/T2567-2008 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。碳纖維的電聚合和復(fù)合材料制備的示意圖如圖 2.1 所示。圖2.1 碳纖維的電聚合和復(fù)合材料制備的示意圖Fig. 2.1SchematicdiagramofelectropolymerizationofCF andthe preparationofcomposites.

第 3 章 結(jié)果與討論47圖3.45 碳纖維與超純水接觸角的光學(xué)照片（A）未處理的碳纖維、（B）預(yù)處理的碳纖維、（C）電聚合噻吩的碳纖維、（D）電聚合MPGA-噻吩的碳纖維、（E）電聚合MPGA的碳纖維Fig. 3.45 Opticalphoto ofthecontactangle between CF andultrapure water(A) untreated CF, (B) pretreatedCF, (C)CF ofelectropolymerizedthiophene, (D) CFofelectropolymerizedMPGA-thiophene,(E) CF ofelectropolymerizedMPGA3.4.5 碳纖維表面微觀形貌分析如圖3.46，分別為預(yù)處理碳纖維、電化學(xué)聚合 MPGA的碳纖維、電聚合噻吩的碳纖維和電聚合 MPGA-噻吩的碳纖維掃描電鏡照片。由圖 A 可以觀察到預(yù)處理的碳纖維表面比較光滑潔凈，，僅有少量沿著纖維平行方向排列的溝槽，這是碳纖維生產(chǎn)過程產(chǎn)生的。經(jīng)過電化學(xué)聚合 MPGA的碳纖維 B 表面有大量的聚合物富集，這些聚合物以顆粒形狀聚集在表面，明顯增加了表面粗糙程度，這是由于碳纖維表面接枝了MPGA 聚合物[75]。經(jīng)過電化學(xué)聚合噻吩的碳纖維 C 表面有大量的片狀聚合物富集，可以明顯觀察到噻吩聚合物以片層結(jié)構(gòu)聚集在碳纖維表面，有效改善了碳纖維的表面特性，形成更多的聚合活性點。而經(jīng)過電化學(xué)聚合 MPGA-噻吩的碳纖維 D 表面有塊狀聚合物富集，并在局部區(qū)域形成較大的塊狀顆粒，使碳纖維表面活性增強。對比 A～D 電化學(xué)聚合改性碳纖維的 SEM 圖可知
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ342.742;TB306

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本文編號：2676001