本文關鍵詞：聚丙烯腈基碳纖維的表面修飾及復合性能研究　出處：《天津工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：碳纖維(carbon fiber,CF)是一種高強度、高模量的高性能纖維,具有優(yōu)越的抗疲勞性、化學穩(wěn)定性和耐熱性,一般作為復合材料的增強相使用。然而由于碳纖維單絲直徑小,表面活性官能團含量低,導致纖維在復合材料中的分散性和與基體之間的界面結合性較差。因此對碳纖維進行表面修飾,增加纖維表面活性,改善纖維在復合材料中分散性,提高纖維與基體的界面結合力尤為重要。本文首先采用脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯(O3P)、三乙醇胺(TEOA)和脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯銨鹽(O3PNH4)三種有機電解液對PAN基碳纖維進行電化學氧化改性,通過化學滴定法、單纖維強度儀和場發(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含量、力學性能及表面形貌的變化規(guī)律,得到電化學改性的最佳條件:濃度5 wt%的O3PNH4乳液為電解液,電流密度為2 A/g,恒溫50℃電化學氧化2min。利用X射線光電子能譜(XPS)、單纖維接觸角儀和萬能材料試驗機對電化學改性前后碳纖維的表面基團、表面自由能和復合材料的力學性能進行表征,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)氧樹脂復合材料的層間剪切強度(ILSS)提高了60.6%,結果表明:以O3PNH4為電解液對碳纖維電化學改性,可以在幾乎不影響碳纖維力學性能的前提下,增加碳纖維的表面活性,提高碳纖維纖維與基體的界面結合性。其次,為了探究碳纖維界面性質與其分散行為的關系,分別選用陰離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸鹽(AEOPK),陽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)作為處理劑對碳纖維表面進行修飾,當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,處理后的碳纖維在環(huán)氧樹脂中分別達到最佳分散效果。并且通過FE-SEM、原子力顯微鏡(AFM)、XPS、纖維摩擦系數(shù)儀和法拉第筒對處理前后碳纖維一系列的表面性質進行表征,結果表明,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;若處理劑為非離子表面活性劑,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),快速評價纖維在基體中分散性的方法。然后,為了進一步提高碳纖維在復合材料中的分散性和與基體之間的界面結合性,制備了己二酸改性環(huán)氧樹脂鉀鹽(AAEK)、二乙醇胺改性環(huán)氧樹脂季銨鹽(DAEQAC)、聚乙二醇改性環(huán)氧樹脂(PEGE)三種類型的水性環(huán)氧樹脂,通過合成工藝優(yōu)化分別確定了 AAEK、DAEQAC和PEGE合成的最佳條件。之后對三種水性環(huán)氧樹脂乳液的機械穩(wěn)定性、表面張力、接觸角、粒徑分布和粘度進行測試,結果表明,當AAEK、DAEQAC和PEGE的濃度分別為1.0wt%、0.8 wt%和 1.0 wt%,環(huán)氧值分別為 0.06 mol/100g、0.07 mol/100g 和 0.03 mol/100g 時,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,與進口上漿劑的乳液性質接近,可作為碳纖維上漿劑使用。最后,選用AAEK、DAEQAC、PEGE和進口上漿劑乳液對碳纖維表面施覆改性,采用建立的分散性評價方法分析了上漿劑對碳纖維在環(huán)氧樹脂中的影響,發(fā)現(xiàn)AAEK、DAEQAC、PEGE和進口上漿劑在碳纖維表面的最佳施覆量分別為3.0 mg/g、2.0 mg/g、2.0 mg/g和3.0 mg/g;四種上漿劑中,AAEK對于改善碳纖維在環(huán)氧樹脂中分散性的效果最好。通過FE-SEM、AFM、XPS和單纖維強度儀分析了上漿劑施覆改性對碳纖維表面形貌、粗糙度、活性基團含量和斷裂強度的影響。結果表明: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,提高纖維的斷裂強度。通過吸附熱力學和動力學研究表明AAEK在碳纖維表面的吸附是介于單分子層和多分子層之間的吸熱過程,符合Freundlich吸附等溫和偽二級動力學模型。之后采用萬能材料試驗機分析了上漿劑對碳纖維復合材料彎曲強度和ILSS的影響,結果表明AAEK改性后的碳纖維短絲/環(huán)氧樹脂復合材料的彎曲強度和碳纖維布/環(huán)氧樹脂復合材料的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。對比AAEK和進口上漿劑改性后復合材料的力學性能可知,AAEK在提高碳纖維在環(huán)氧樹脂基體中的分散性方面,效果優(yōu)于進口上漿劑,但是對于提高碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結合性能,AAEK的改性效果比進口上漿劑略差。
【學位授予單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ342.742;TB332

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本文編號：1335174