芳綸纖維增強可溶性聚芳醚復合材料的制備技術、界面表征及性能研究.pdf

1、本論文工作系國家自然科學基金(項目編號50743012)和遼寧省新世紀優(yōu)秀人才(項目編號RC2005-14)的部分研究工作內(nèi)容。論文中選用耐熱等級最高的可溶性聚芳醚樹脂-聚芳醚砜酮(PPESK)開展連續(xù)芳綸纖維增強熱塑性樹脂基復合材料纏繞成型工藝過程的纖維浸漬、制備方法、界面結(jié)構表征及其與性能關系的研究工作。針對芳綸纖維表面缺乏活性基團、表面光滑以及表面能低等問題，采用射頻低溫等離子體對芳綸纖維表面進行改性，對復合材料界面粘接性能進行優(yōu)

2、化設計。另外，對等離子體處理纖維表面的退化效應進行了初步探討。
　　 論文中選用目前應用最廣和性能最好的有機芳綸纖維(Twaron和Armos)作為復合材料的增強相。采用氧氣等離子體處理方法對芳綸纖維表面進行改性，利用溶液預浸漬工藝和高溫模壓成型技術制備了等離子體處理前后的芳綸纖維/PPESK樹脂基復合材料。采用紅外光譜(FTIR)、X-射線光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)以及動態(tài)接觸角分析

3、(DCAA)等方法研究了等離子體處理前后的芳綸纖維表面化學結(jié)構、元素組成、表面形貌、表面粗糙度以及表面浸潤性能的變化。通過測試復合材料的層間剪切強度(ILSS)來表征復合材料的界面粘結(jié)性能。并對復合材料的吸水率進行測定來間接反映復合材料的界面粘結(jié)情況。通過對復合材料界面破壞形貌進行掃描觀察，從而進一步分析復合材料的界面粘結(jié)機理。
　　 本文首先考察了氧氣等離子體處理對Twaron纖維表面及其復合材料界面性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過

4、氧氣等離子體處理之后，Twaron纖維表面引入了新的含氧官能團-COO-結(jié)構，表面粗糙度增加，表面浸潤性能得到明顯地改善。在等離子體處理功率為200W、處理時間為15min時，Twaron纖維/PPESK復合材料的層間剪切強度由未處理時的39.2MPa增加到52.0MPa，提高了32.6％。
　　 其次，通過對等離子體處理時間與放電功率對Armos纖維表面狀態(tài)及其復合材料的影響研究發(fā)現(xiàn)：氧氣等離子體在Armos纖維表面引入了大量

5、的含氧基團，同時對Armos纖維表面產(chǎn)生了明顯的刻蝕作用，表面浸潤性能得到相應地改善。在等離子體處理功率為200W、處理時間為lOmin時，Armos纖維/PPESK復合材料的層間剪切強度由未處理時的59.5MPa增加到68.8MPa，提高了15.6％。經(jīng)等高子體處理之后，Armos纖維/PPESK復合材料的吸水率也表現(xiàn)出明顯下降的趨勢。但較長時間和較大功率的處理條件均會造成纖維表面剝離與消熔，纖維表面損傷嚴重，使得纖維表面極性官能團減

6、少，表面粗糙度下降，浸潤性不好，最終導致了Armos纖維/PPESK復合材料的界面粘結(jié)性能下降。
　　 另外，通過對比等離子處理前后的芳綸纖維/PPESK復合材料層間剪切破壞斷面形貌圖發(fā)現(xiàn)，未處理時的復合材料斷面處纖維表面光滑，粘附著少量的樹脂，復合材料的破壞模式主要是界面破壞，而經(jīng)過等離子體處理之后的復合材料斷面處纖維表面粗糙并粘附著大量的樹脂，此時的復合材料破壞模式由未處理時的界面破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛w或纖維本體的破壞。通過對復

7、合材料界面結(jié)構與性能的關系分析發(fā)現(xiàn)，纖維與樹脂基體間的化學鍵接和機械嵌合作用均有利于提高復合材料的界面粘結(jié)性能。
　　 最后，考察了等離子體處理芳綸纖維的時效性問題。將等離子體處理后的芳綸纖維在空氣中放置10天左右，發(fā)現(xiàn)纖維表面的化學組成和浸潤性能隨著儲存時間延長發(fā)生明顯的退化效應。而在時效的過程中，纖維表面形貌和粗糙度的變化不大。這可能與等離子體處理之后的纖維表面極性基團發(fā)生重排、翻轉(zhuǎn)有關。另外，芳綸/PPESK復合材料的界面