基于咔唑基共聚物的碳纤维/环氧树脂基复合材料界面改性研究
碳纤维(CF)增强复合材料因其优异的性能在许多领域显示出应用潜力，然而树脂与纤维之间弱的相互作用和大的模量差异使复合材料整体存在着严重的界面问题，限制了其的进一步发展应用。为此，本文设计并合成了两种咔唑基共聚物，通过非共价改性来改善复合材料的界面性能，并通过与碳纳米管的协同作用，在纤维表面构筑咔唑基共聚物/碳纳米管复合增强界面层，进一步提高碳纤维增强环氧树脂基复合材料的界面性能。 (1)设计并验证合成了咔唑基共聚物P(GMA-co-VCz)(PG-C),用于去浆碳纤维的表面改性，制备共聚物PG-C改性碳纤维(CF-PG-C)、共聚物/碳纳米管协同改性碳纤维(CF-PG-C-CNT),通过界面剪切强度测试、横向纤维束拉伸测试比较其界面性能。相较于去浆碳纤维增强复合材料的界面剪切强度(60.3MPa),PG-C改性碳纤维增强复合材料(CF-PG-C/EP)、共聚物/碳纳米管协同改性碳纤维增强复合材料(CF-PG-C-CNT/EP)的界面性能都有了逐步提高，分别达到了72.6MPa和85.9MPa。 (2)基于共聚物PG-C改性碳纤维实验结果，进一步优化咔唑基共聚物的设计，验证合成了聚物P(GMA-co-CbzEMA)(PG-CA),并用于去浆碳纤维的表面改性，制备共聚物PG-CA改性碳纤维(CF-PG-CA)、共聚物/碳纳米管协同改性碳纤维(CF-PG-CA-CNT),相较于共聚物PG-C与PG-C/CNT,PG-CA与PG-CA/CNT的界面改性效果更加显著，其界面剪切强度分别达到了92.9MPa和121.7MPa。比较去浆纤维与改性纤维的表面粗糙度、石墨化程度、表面能，并分析不同复合材料的界面相模量变化，提出了界面增强机理。一方面咔唑基共聚物通过咔唑基团与纤维表面石墨结构的π-π共轭作用相粘附，另一方面，共聚物中的环氧基团参与到树脂基体的固化反应中，提高纤维与树脂基体间浸润性，增强二者之间的相互作用，提高界面性能。并且，咔唑基共聚物PG-CA能够提高碳纳米管的分散性，防止其发生团聚，在纤维表面构筑均匀的咔唑基共聚物/碳纳米管复合增强界面层，在纤维与树脂之间形成良好的界面过渡，实现界面性能的进一步提高。通过对比冲击前后、脱粘前后的自制复合材料，研究了咔唑基共聚物在复合材料损伤监测方面的应用，咔唑基共聚物通过荧光信号的变化来展现复合材料中的纤维损伤,在该领域展示出了相当的应用潜力。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料;界面改性;咔唑基共聚物;碳纳米管
北京化工大学
硕士
材料与化工
隋刚;马仲发
2023
中文
TB332
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）