CF-Epoxy及CF-PI復(fù)合材料界面自組裝研究.pdf

1、本文提出了一種新的碳纖維(CF)表面改性方法——分子自組裝技術(shù)。在碳纖維復(fù)合材料上實(shí)現(xiàn)可調(diào)控、定向排列界面相，從分子水平上探索聚合物基復(fù)合材料界面作用規(guī)律，這對(duì)于推動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料界面科學(xué)理論及表面處理技術(shù)的發(fā)展，都具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　針對(duì)環(huán)氧樹脂基體，選用硫醇/Ag的自組裝體系改性復(fù)合材料界面。采用化學(xué)鍍銀的方法使CF表面金屬化，通過(guò)AFM的形貌測(cè)試和力調(diào)制技術(shù)確定了施鍍時(shí)間和鍍層厚度：在0.5min施鍍時(shí)間下鍍層厚度

2、為80nm。采用XRD測(cè)試和冷熱循環(huán)法研究了鍍層的結(jié)晶狀況和鍍層的結(jié)合力，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)制備的鍍層均勻、致密、結(jié)合力好，可作為下一步自組裝的基底。
　　在鍍銀碳纖維上進(jìn)行分子自組裝，選用了三類硫醇化合物：羥基取代烷基硫醇、取代芳基硫醇和芳雜環(huán)硫醇，對(duì)三種自組裝膜進(jìn)行了表面增強(qiáng)拉曼光譜測(cè)試(SERS)和XPS測(cè)試。SERS分析表明三類硫醇自組裝膜均通過(guò)形成S-Ag鍵或N-Ag鍵化學(xué)吸附在鍍銀碳纖維表面，根據(jù)電磁增強(qiáng)表面選擇定則能判斷

3、分子的吸附取向情況，烷基硫醇以站立的方式取向在CF表面上，芳基硫醇和芳雜環(huán)硫醇以平躺或稍傾斜的方式取向在CF表面上。XPS測(cè)試也進(jìn)一步證明了三類自組裝膜在CF表面上的化學(xué)吸附。
　　研究了自組裝改性后的CF對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料的界面性能的影響。界面剪切強(qiáng)度(IFSS)測(cè)試表明了三類化合物自組裝改性CF均提高了其復(fù)合材料的界面粘合力，不同鏈長(zhǎng)的烷基硫醇自組裝膜(MEOL, MHOL, MUOL)改性CF復(fù)合材料的IFSS均較未處理的分別提

4、高了17.3％,12.2%和24.8%；不同末端官能團(tuán)的芳基硫醇自組裝膜(ATP，HTP)改性CF復(fù)合材料的IFSS較未處理的分別提高了19.6%和14.5%；芳雜環(huán)類自組裝膜(BTA，MBT)改性CF復(fù)合材料的IFSS較未處理的分別提高了24.8%和29.9%。探討了界面微結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響。
　　針對(duì)CF/聚酰亞胺(PI)復(fù)合材料的界面自組裝進(jìn)行了初步探索，選用羥基化表面/有機(jī)硅烷衍生物的自組裝體系。用氧化還原的方法

5、使CF表面官能團(tuán)盡可能地羥基化，借助XPS和表面能測(cè)試，研究了CF表面官能團(tuán)的變化，結(jié)果表明，其O/C比增加明顯，-OH官能團(tuán)占CF表面總官能團(tuán)含量的26.89%，為下一步的有機(jī)硅烷自組裝提供了具有較大-OH覆蓋度的基底。
　　在羥基化的CF表面進(jìn)行分子自組裝，選擇了四種有機(jī)硅烷衍生物，分別為乙烯基三乙氧基硅烷(VS)、甲基三甲氧基硅烷(MS)、胺丙基三乙氧基硅烷(APS)及γ-(2,3-環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPS)，其

6、末端官能團(tuán)分別為-CH=CH2、-CH3、NH2以及環(huán)氧基。采用XPS、FTIR和AFM測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)CF表面成功地制備了自組裝膜，依靠有機(jī)硅烷一端的官能團(tuán)發(fā)生水解-縮合，水解產(chǎn)物-SiOH與基底物羥基產(chǎn)生化學(xué)吸附，其它硅氧鍵之間發(fā)生縮合。
　　研究了自組裝改性后的CF對(duì)兩種PI復(fù)合材料界面性能的影響，IFSS測(cè)試表明：四種有機(jī)硅烷自組裝膜改性CF均提高了其復(fù)合材料的界面粘合力，其提高的幅度順序?yàn)椋ò从纱蟮叫。阂蚁┗柰?環(huán)氧基