PAN基碳纤维表面电荷有序分布及其分散性关系的研究

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碳纤维(CF)是主要由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量一般在90%以上。碳纤维因其具有易导电、易传热、耐疲劳、抗蠕变等优点,常被作为结构材料或功能材料应用到航天、航空和化工等领域。碳纤维既可单独使用,又可制成复合材料,但绝大多数是以复合材料形式使用。在制备复合材料时,碳纤维的分散性是决定复合材料力学性能和机敏特性的重要因素。  本文选用较难分散的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,以水基型离子型表面活性剂TEDPS、水基型非离子型表面活性剂TIW及油基型离子型表面活性剂MLBH、油基型非离子型表面活性剂SCAT作为分散剂,从分散机理出发,探究不同类型分散剂对碳纤维在油性材料中分散性能的影响。利用场发射电子显微镜(FE-SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和衰减全反射红外光谱仪(ATR-FT-IR)对分散剂处理前后碳纤维表面形貌结构与化学组成进行表征,并以分散状态、沉降时间和浊度值等作为评价方法综合判断碳纤维在油性基体中的分散效果。结果表明:使用水基型和油基型分散剂对碳纤维表面进行涂覆处理均能有效改善碳纤维在油性基体中的分散效果,且油基型分散剂分散效果要优于水基型、离子型MLBH要优于非离子型SCAT;其TEDPS、TIW、MLBH与SCAT最佳处理浓度分别是0.3%、0.6%、0.3%和2.0%,浓度过高或过低,分散效果均不显著。  本文又以油基型离子型表面活性剂MLBH作为分散剂,研究了制备复合材料前期阶段碳纤维分散这一关键环节中碳纤维长度和体积含量对碳纤维在油性材料中分散性能的影响。结果表明:碳纤维越长或体积含量越大越难分散,且用MLBH对碳纤维表面进行涂覆处理后,碳纤维最佳分散长度与最佳体积含量分别为10mm和50 mg/L。  最后本文以法拉第筒法作为表征方法,定量测量碳纤维表面电荷量,并探究了碳纤维表面电荷有序分布与其分散性的关系。结果表明:使用水基型非离子型表面活性剂TIW和油基型非离子型分散剂SCAT处理碳纤维,随着分散液浓度增大碳纤维表面电荷量逐渐减小最后趋近于零,其最佳浸丝浓度分别为0.6%与2.0%;使用水基型离子型表面活性剂TEDPS和油基型离子型分散剂MLBH处理,随着分散液浓度增大碳纤维表面电荷量先减小后增大,其最佳处理浓度均为0.3%。
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