聚砜纳米纤维膜增韧环氧树脂及其碳纤维复合材料的研究

论文摘要

碳纤维/环氧树脂基复合材料的增韧方法是先进复合材料研究发展的重要方向,其历程已经从第二代复合材料的热塑性工程塑料物理共混增韧环氧树脂基体,发展到热塑性工程塑料颗粒或溶剂法膜层间增韧的第三代复合材料。物理共混方法存在的问题是复合材料成型加工困难,而后者未解决层间增韧与树脂基体流动性、渗透性和浸润性之间的矛盾。为此提出纳米纤维膜层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料的新方法,利用电纺纳米纤维的直径小、高孔隙率和大比表面积等特性,实现热塑性工程塑料改性复合材料的增韧效果与工艺适应性的统一。1.以N,N′-二甲基乙酰胺（DMAC）/丙酮为混合溶剂,采用静电纺丝工艺制备了聚砜（PSF）纳米纤维膜。增加混合溶剂中丙酮比例和纺丝溶液浓度有利于得到单一形貌的聚砜纳米纤维膜。增加纺丝电压,纳米纤维直径变小,而降低纺丝液流速,可以避免串珠形貌的形成。2.基于碳纤维的导电性,通过静电纺丝直接将聚砜纳米纤维膜接收于碳纤维/环氧树脂预浸布上,建立了一种层间增韧的新方法,采用纳米纤维膜层间增韧碳纤维/环氧树脂基复合材料,实现增韧复合材料的目的。所用聚砜纳米纤维膜是由无规取向的纳米纤维组成,根据其特殊结构,建立了纳米纤维膜的非均相相分离模型,即在环氧树脂固化过程中,聚砜沿着纳米纤维的方向发生“原位”相分离,聚砜微球呈现无规取向分布的“海岛”结构,而且贯穿于整个复合材料层间。在纳米纤维膜含量为5 wt%时,增韧复合材料的GⅠC和GⅡC分别增加了181%和177%,高于同等含量的溶剂法膜增韧复合材料。DMTA测试表明,与溶剂法膜相比,纳米纤维膜与环氧树脂基体的相容性更好。3.采用差示扫描量热法（DSC）和近红外光谱（NIR）研究了环氧树脂基体、5wt%聚砜纳米纤维膜和溶剂法膜增韧环氧树脂的等温固化反应动力学。比较了聚砜纳米纤维膜和溶剂法膜增韧环氧树脂的基本动力学参数,表明环氧基团转化率和固化反应速率的变化趋势一致。在固化反应初期,聚砜纳米纤维膜增韧体系的反应速率高于溶剂法膜增韧体系和树脂基体,而聚砜纳米纤维膜和溶剂法膜增韧体系的最终转化率却低于树脂基体,通过NIR测试得到的一级胺的变化趋势,解释了其固化反应机理。4.采用混酸氧化处理的碳纳米管（CNTs）,通过静电纺丝制备了聚砜（PSF）/碳纳米管（CNTs）杂化的纳米纤维膜。研究了PSF/CNTs的纳米纤维膜增韧增强环氧树脂基体的拉伸、冲击和耐热性能,结果表明碳纳米管含量为3 wt%的PSF/CNTs纳米纤维膜增韧增强环氧树脂的拉伸强度提高12%,冲击强度提高10%,玻璃化转变温度提高4℃。增韧增强的协同效应归因于非均相相分离的聚砜微球和分散于树脂基体或热塑性塑料微球的不同位置碳纳米管的共同作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 环氧树脂基体的增韧改性
• 1.1.1 化学改性
• 1.1.2 物理改性
• 1.2 复合材料的层间增韧
• 1.2.1 层间颗粒增韧
• 1.2.2 层间胶膜增韧
• 1.3 静电纺丝的纳米纤维
• 1.3.1 静电纺丝的概念
• 1.3.2 热塑性工程塑料纳米纤维的发展
• 1.3.3 纳米纤维的用途
• 1.4 相分离
• 1.4.1 反应诱导相分离
• 1.4.2 反应诱导相分离研究进展
• 1.5 环氧树脂的增韧机理
• 1.5.1 橡胶增韧环氧树脂的机理
• 1.5.2 热塑性工程塑料增韧环氧树脂的机理
• 1.5.3 复合材料层间增韧的机理
• 1.6 碳纳米管（CNTs）
• 1.6.1 碳纳米管的物理性能
• 1.6.2 碳纳米管的官能化
• 1.6.3 碳纳米材料增强环氧树脂
• 1.7 本文的研究内容和意义
• 第二章 静电纺丝制备聚砚纳米纤维膜
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料及试剂
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 实验方法
• 2.1.4 测试与表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 混合溶剂比例对纳米纤维膜的影响
• 2.2.2 聚砜溶液浓度对纳米纤维膜的影响
• 2.2.3 纺丝电压对纳米纤维膜的影响
• 2.2.4 纺丝液流速对纳米纤维膜的影响
• 2.3 小结
• 第三章 聚砜纳米纤维膜非均相增韧碳纤维/环氧树脂复合材料—I型层间断裂韧性
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料及试剂
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 碳纤维/环氧树脂预浸布的制备
• 3.1.4 聚砜纳米纤维膜和溶剂法膜增韧复合材料的制备
• 3.1.5 测试与表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 聚砜纳米纤维膜的微观形貌
• 3.2.2 聚砜纳米纤维膜的非均相相分离模型
• 3.2.3 复合材料的微观形貌
• 3.2.4 复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性
• 3.2.5 复合材料的动态粘弹性
• 3.2.6 复合材料的弯曲性能
• 3.3 小结
• 第四章 聚砜纳米纤维膜增韧碳纤维/环氧树脂复合材料—Ⅱ型层间断裂韧性
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料及试剂
• 4.1.2 实验设备
• 4.1.3 复合材料板材制备
• 4.1.4 复合材料性能的表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 聚砜纳米纤维膜的微观形貌
• 4.2.2 复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性
• 4.2.3 复合材料的微观形貌
• 4.2.4 复合材料的层间剪切强度
• 4.2.5 复合材料的动态热机械性能
• 4.3 小结
• 第五章 聚砜纳米纤维膜增韧环氧树脂及其碳纤维复合材料的固化动力学
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 样品的制备
• 5.1.3 测试与表征
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 环氧树脂的等温DSC研究
• 5.2.2 环氧树脂的等温NIR研究
• 5.2.3 等温DSC和NIR比较
• 5.2.4 聚砜纳米纤维膜增韧复合材料的固化动力学
• 5.3 小结
• 第六章 PSF/CNTs纳米纤维膜同步增韧增强环氧树脂基体的研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 实验原料及试剂
• 6.1.2 实验设备
• 6.1.3 PSF/CNTs纳米纤维膜增韧增强环氧树脂的制备
• 6.1.4 测试与表征
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 氧化处理碳纳米管的表征
• 6.2.2 PSF/CNTs纳米纤维膜的形貌
• 6.2.3 PSF/CNTs纳米纤维膜增韧增强环氧树脂的拉伸性能
• 6.2.4 PSF/CNTs纳米纤维膜增韧增强环氧树脂的冲击性能
• 6.2.5 动态热机械性能
• 6.2.6 PSF/CNTs纳米纤维膜增韧增强环氧树脂的微观形貌
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书