PAN基高模量碳纤维的表面涂层改性研究

论文摘要

碳纤维具有比强度、比模量高,耐高温、腐蚀,抗疲劳、抗蠕变,导电、传热以及热膨胀系数小等优异性能,因此成为近年来最重要的增强材料之一,并且在很多领域都得到了广泛的应用。但是由于碳纤维表面平滑、活性官能团少、表面能低,表现为表面化学惰性,进而与树脂基体浸润性差,导致碳纤维,树脂两相界面之间的粘接性差,严重影响了复合材料整体优异性能的发挥。所以对碳纤维表面进行聚合物涂层改性,以提高其与基体树脂的界面结合性能。本文从界面层与界面层设计出发,分别合成和制备了潜伏性固化剂(LCA)改性的环氧树脂乳液和不同固化剂含量的端环氧基聚氨酯(EPU)丙酮溶液,并用这两种涂层对高模量碳纤维进行表面处理。研究了涂层的种类、涂层中固化剂的含量对纤维表面性能以及复合材料界面性能的影响。通过对碳纤维表面及聚合物涂层的红外吸收谱图的分析可知,聚合物涂层与纤维或树脂发生了化学反应；不同的聚合物涂层对高模量碳纤维的改性效果不同。含有潜伏性固化剂的环氧树脂乳液涂层碳纤维后,高模量碳纤维表面浸润性有所改善,而且赋性性良好；在固化剂含量为20%(理论用量)时,碳纤维的吸水率下降至0.02%。相对比未进行涂层处理的高模量碳纤维复合材料,聚合物涂层改性碳纤维复合材料的层间剪切强度有所提高。当环氧树脂乳液含潜伏性固化剂含量为20%(理论用量)时,复合材料的界面剪切强度提高8.6%；端环氧基聚氨酯含固化剂三乙烯四胺的量为70%(理论用量)时,复合材料的界面剪切强度提高19.4%。扫描电镜的研究结果表明聚合物涂层增强了高模量碳纤维与基体树脂之间的相互作用,改善了纤维/基体的界面粘结效果,最终聚合物涂层纤维与树脂结合紧密均匀,碳纤维与树脂基体的界面性能进一步完善；动态机械热分析的结果表明使用聚合物涂层涂覆碳纤维,通过涂层内交联以及交联程度的改变可以改善碳纤维/树脂复合材料的界面性能,进而改善复合材料的整体性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高模量碳纤维的性能
• 1.2 高模量碳纤维表面处理的各种方法
• 1.2.1 氧化处理
• 1.2.2 涂层处理
• 1.2.3 等离子体处理
• 1.2.4 其他
• 1.3 聚合物涂层处理
• 1.3.1 聚合物涂层处理的原理
• 1.3.2 常用聚合物
• 1.3.3 影响聚合物涂层的因素
• 1.3.4 聚合物涂层对碳纤维及复合材料影响
• 1.4 聚合物涂层处理效果表征
• 1.4.1 碳纤维表面形貌和结构以及化学状态的表征
• 1.4.2 碳纤维复合材料界面性能的表征
• 1.5 高模量碳纤维的应用
• 1.5.1 在航天航空及军工领域方面的应用
• 1.5.2 在工业领域方面的应用
• 1.6 本论文的目的和意义
• 第二章 实验部分
• 第一部分 潜伏性固化剂改性环氧树脂涂层
• 2.1 原料
• 2.1.1 实验原料的选择
• 2.1.2 实验中所用原料及仪器
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 实验设备和原料的准备
• 2.2.2 潜伏性固化剂的合成
• 2.2.3 环氧涂层的制备
• 2.2.4 纤维表面涂层聚合物
• 2.2.5 碳纤维/环氧树脂复合材料的制备
• 2.3 测试与表征
• 2.3.1 潜伏性固化剂的结构表征
• 2.3.2 潜伏性固化剂的热性能
• 2.3.3 碳纤维表面及聚合物涂层红外光谱
• 2.3.4 碳纤维表面聚合物涂层含量
• 2.3.5 聚合物涂层碳纤维的浸润性
• 2.3.6 聚合物涂层碳纤维的含水率
• 2.3.7 聚合物涂层碳纤维的悬垂性
• 2.3.8 碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度研究
• 2.3.9 扫描电子显微镜（SEM）对碳纤维及复合材料断面形貌的研究
• 2.3.10 碳纤维/环氧树脂复合材料动态机械热分析（DMTA）
• 2.3.11 聚合物涂层碳纤维的集束性
• 第二部分 端环氧基聚氨酯涂层
• 2.4 原料
• 2.4.1 实验原料的选择
• 2.4.2 实验中所用原料及仪器
• 2.5 实验过程
• 2.5.1 实验设备和原料的准备
• 2.5.2 合成方法
• 2.5.3 端环氧基聚氨酯涂层的制备及其固化反应
• 2.5.4 纤维表面涂层聚合物
• 2.5.5 碳纤维/环氧树脂复合材料的制备
• 2.6 测试与表征
• 2.6.1 端环氧基聚氨酯的结构表征
• 2.6.2 端环氧基聚氨酯的热性能
• 2.6.3 端环氧聚氨酯涂层改性碳纤维的红外光谱
• 2.6.4 碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度研究
• 2.6.5 扫描电子显微镜（SEM）对碳纤维及复合材料断面形貌的研究
• 2.6.6 碳纤维/环氧树脂复合材料动态机械热分析（DMTA）
• 2.6.7 聚合物涂层碳纤维的集束性研究
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 潜伏性固化剂改性环氧树脂涂层
• 3.1.1 潜伏性固化剂的结构表征
• 3.1.2 潜伏性固化剂的热性能
• 3.1.3 碳纤维表面及聚合物涂层红外光谱
• 3.1.4 碳纤维表面聚合物涂层含量
• 3.1.5 聚合物涂层碳纤维的浸润性
• 3.1.6 聚合物涂层碳纤维的含水率
• 3.1.7 聚合物涂层碳纤维的悬垂性
• 3.1.8 碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度研究
• 3.1.9 扫描电子显微镜（SEM）对碳纤维及复合材料断面形貌的研究
• 3.1.10 碳纤维/环氧树脂复合材料动态机械热分析（DMTA）
• 3.1.11 聚合物涂层碳纤维的集束性
• 3.2 本节小结
• 3.3 端环氧基聚氨酯涂层
• 3.3.1 端环氧基聚氨酯的结构表征
• 3.3.2 端环氧基聚氨酯的热性能
• 3.3.3 端环氧聚氨酯涂层改性碳纤维的红外光谱
• 3.3.4 碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度研究
• 3.3.5 扫描电子显微镜（SEM）对碳纤维及复合材料断面形貌的研究
• 3.3.6 碳纤维/环氧树脂复合材料动态机械热分析（DMTA）
• 3.3.7 聚合物涂层碳纤维的集束性
• 3.4 本节小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附录