聚合物微球--碳纤维增强体制备及复合材料界面性能研究
碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRPC)具有众多优异性能，广泛应用于民用、军用等领域。然而，碳纤维表面呈化学惰性，官能活性低，与树脂基体间的界面相容性差，影响了复合材料性能和使用寿命，需要对其进行表面改性。 碳纤维表面改性方法主要包括物理和化学改性方法，改性主要涉及改变纤维表面组成和表面粗糙度。向纤维表面引入微纳米结构材料，可同时提高纤维表面官能活性和表面粗糙度。 已有报道，使用电泳方法将表面带正电荷的聚合物微球电泳吸附到纤维表面，对纤维进行表面修饰。该方法简单、快速，但微球组成、结构、形貌单一，仅为与基材PMMA树脂相容的球形、表面光滑的PMMA微球，且表面缺乏官能基团。使用化学接枝方法在硝酸酸化的纤维表面原位生长聚磷腈杂化微球，但强酸处理损伤纤维本体强度，且化学原位反应步骤复杂、条件苛刻、耗时长。 为此，提出本论文的思路:分别采用电泳沉积和化学接枝的方法，让组成、结构、尺寸、形貌可调的聚合物微球修饰碳纤维表面，大幅度提高纤维表面粗糙度和表面能，改善复合材料界面黏附性，增强机械互锁作用，从而获得高性能的树脂基复合材料。 本论文主要工作如下: 1.碳纤维表面电泳沉积聚合物微球-提高复合材料界面性质: (1)通过一锅分散聚合两步法制备了P(St-GMA)粒子。调控第二共聚单体含量和分散介质，得到了不同尺寸的表面球形、核-壳、表面粗糙及树莓状粒子。进一步通过环氧与氨基（巯基）的反应，制备了表面胺基化和巯基化功能微球; (2)研究了电泳所用电压、时间、功能微球类型对碳纤维表面负载微球含量的影响。确立了最终的电泳实验参数:电压15v，时间90s。探究了电泳沉积改性后纤维表面组成、润湿性、以及复合材料界面性质的变化。电压15v，时间90s，粒子为表面粗糙的P(St-35％GMA)-NH2-270nm时，纤维表面粒子分布较均一，纤维表面粒子负载率为14.9％，表面能值最高为49.18mN/m，相比于未改性的纤维，提高了97.43％。对应其复合材料力学强度TFBT和IFSS分别为30.15MPa和51.13MPa，相较于未改性的纤维复合材料，分别提高了88.08％和30.77％。 2.碳纤维表面原位生长点击粒子-提高复合材料界面性质: (1)室温下在纤维表面沉积PDA涂层，接着利用表面胺基与异氰酸酯反应，对纤维进行表面-NCO官能化。然后在纤维表面进行原位点击聚合、生长聚合物粒子。探究了单体加料方式、单体类型、单体加料量及配比对纤维表面形貌、结构、性质的影响。确立了以第一步IPDI加料量为5mmol-NCO，后续以PETMP和IPDI为点击单体类型进行巯基-异氰酸酯点击分散聚合对纤维进行原位改性的方案。Weibull参数分析法评估碳纤维化学改性前后的本体强度，得出经过PDA和Click NPs(单体为PETMP和IPDI)改性后的纤维单丝强度提高了9.68％; (2)研究了单体加料量对复合材料界面性能的影响。随着单体加料量的增加，纤维表面能和复合材料力学性能(TFBT和IFSS)均呈现先增加后减小的趋势。当PETMP和IPDI单体加料配比为[n(-SH)∶n(-NCO)=9∶9mmol]时，纤维表面能和力学强度最高。当纤维表面进一步接枝固化剂三乙烯四胺后，纤维表面能进一步增加，其值为50.67mN/m，相比于未改性的CF，提高了144.48％;对应其复合材料界面强度TFBT和IFSS分别提高了150.97％和76.42％; (3)依据TFBT断面SEM图和IFSS力学脱黏前后的断面SEM图及荧光谱图，提出复合材料界面增强机理:PDA和Click NPs作为聚合物中间相-保护层，当复合材料处于载荷下时，可以减少应力集中，耗散额外能量，改变裂纹传递路径，阻止裂纹直接延伸到纤维表面，让应力均匀分散地传递，从而增强了界面化学，物理机械互锁作用。
碳纤维;表面改性;聚合物微球;电泳沉积;化学接枝;界面性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
刘莲英
2019
中文
TQ343;TQ340.654
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）