论文部分内容阅读
炭纤维增强树脂基复合材料因具有高强度、高模量和低密度等特点,近年来广泛应用于航空航天、交通运输、运动器材等领域。复合材料力学性能的充分发挥取决于炭纤维与树脂基体间的界面性能,但未经改性的炭纤维表面光滑,呈化学惰性,缺少与树脂基体反应的活性官能团,不利于其与树脂基体形成良好的界面粘结,因此对炭纤维进行表面改性以提高两相间的界面结合一直是研究的热点之一。本论文以尼龙12(PA12)为基体,炭纤维(CF)为增强材料,制备炭纤维/尼龙12复合材料,首先考察了炭纤维长度对复合材料拉伸性能的影响,然后采用三种方法对炭纤维进行表面改性处理,分别为硝酸氧化法、偶联剂处理法及化学接枝法,且将硝酸氧化法作为另外两种改性方法的基础。探讨了氧化温度和氧化时间对炭纤维表面官能团含量及复合材料拉伸性能的影响；研究了偶联剂种类及用量对复合材料拉伸性能的影响；通过改变苯胺用量调控炭纤维表面聚苯胺的接枝量,通过改变引发剂用量和聚合反应时间调控炭纤维表面尼龙6(PA6)的接枝量,考察了接枝聚合物种类对复合材料拉伸性能的影响。研究工作及取得的主要结果如下：(1)炭纤维/尼龙12复合材料的拉伸强度随着炭纤维长度的增加而增大,当炭纤维长度为150-250μm(-60-+100目)时,由该炭纤维与平均粒径为50μm的尼龙12粉末按3：7的质量比混合后制得的复合粉末成型性能良好,复合材料的拉伸强度可达53.30MPa,与纯尼龙12(37.18MPa)相比,提高了43.35%。(2)用浓硝酸对炭纤维进行氧化处理后,炭纤维表面洁净度提高,沟槽变多或加深,氧元素含量增加,羟基、羧基等含氧官能团增多。80℃、2h氧化后,炭纤维表面羟基含量最大,80℃、4h氧化后,炭纤维表面羧基含量最大。以这两种硝酸氧化炭纤维为原料制备的氧化炭纤维/尼龙12复合材料的拉伸强度分别为60.70MPa与61.32MPa。硝酸氧化温度与氧化时间对复合材料拉伸性能的影响较小。(3)原料炭纤维表面活性较低,偶联剂处理后改性增强效果不明显,也无法引发苯胺或己内酰胺单体聚合接枝,复合材料的拉伸强度与原料CF/PA12相比相差不大。(4)硝酸氧化炭纤维(简记为OCF)再经偶联剂处理后,复合材料的拉伸强度可在OCF的基础上进一步提高,γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)与异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(HY201)三种偶联剂均有良好的增强效果。随着偶联剂用量增加,复合材料拉伸强度先增大后减小,KH550、KH560与HY201的最佳用量分别为炭纤维质量的0.3%、0.3%与0.4%,相对应的复合材料的拉伸强度分别达到66.34MPa,66.82MPa与68.81MPa。(5)炭纤维经硝酸氧化后表面存在一定量的羧基,有利于苯胺和己内酰胺的聚合接枝。对于聚苯胺接枝氧化炭纤维,随着苯胺／炭纤维质量比逐渐减小,聚苯胺在炭纤维表面的接枝量逐渐减少,分布也更加均匀。对于尼龙6接枝氧化炭纤维,引发剂用量较低时,接枝量也较低,随着引发剂用量增加,接枝量增加但存在最佳值；随着聚合反应时间延长,接枝量增加。聚苯胺接枝氧化炭纤维／尼龙12复合材料的拉伸强度均低于氧化炭纤维／尼龙12复合材料,说明聚苯胺并非合适的接枝聚合物；而尼龙6接枝氧化炭纤维／尼龙12复合材料的拉伸强度为64.14MPa,在氧化炭纤维／尼龙12复合材料的基础上提高了4.60%。