炭纖維用雜化漿料的合成及其對復合材料界面增效研究.pdf

1、聚合物/無機雜化材料不僅綜合了聚合物和無機物各自的優(yōu)點，而且糅合了一定的納米效應，從而產(chǎn)生許多優(yōu)異的性能。將聚合物/無機雜化材料引入到炭纖維表面，研究其對炭纖維與樹脂基體的界面增效，這對于纖維表面改性方法的豐富和改性機理的深入探索具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。 本文分別針對環(huán)氧基體和異構(gòu)聚酰亞胺基體設計合成了炭纖維表面環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料和異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料。采用溶膠-凝膠法合成納米SiO2先驅(qū)體，用(γ-

2、異氰酸酯基)丙基三乙氧基硅烷改性的環(huán)氧樹脂對納米SiO2先驅(qū)體進行原位改性，然后合成環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料。通過紅外光譜分析證實環(huán)氧樹脂與SiO2粒子之間形成了化學鍵，納米粒度分析表明該雜化漿料中SiO2粒子在納米尺度范圍內(nèi)，并具有較好的貯存穩(wěn)定性。利用苯乙炔苯酐和γ-氨丙基三乙氧基硅烷反應合成(γ-苯乙炔亞胺基)丙基三乙氧基硅烷(PEIPTES)，采用元素分析、紅外光譜和核磁共振碳譜對合成產(chǎn)物進行了表征，綜合熱分析和溶解性測試結(jié)果

3、表明該化合物具有較好的熱性能和溶解性能。用PEIPTES制備PEIPTES改性納米SiO2先驅(qū)體，并由異構(gòu)聚酰亞胺樹脂和PEIPTES改性納米SiO2先驅(qū)體制備異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料。紅外光譜和核磁共振硅譜分析說明PEIPTES與SiO2粒子之間以化學鍵結(jié)合，雜化漿料中硅元素以硅氧網(wǎng)絡、硅羥基以及硅-碳形式存在，納米粒度分析證實該雜化漿料具有較好的貯存穩(wěn)定性，SiO2粒子是納米級別。探討了納米SiO2粒子原位改性作用機理，環(huán)

4、氧樹脂或PEIPTES對納米SiO2粒子的原位改性，使納米SiO2粒子之間的總排斥勢能大幅增加，扼制了納米SiO2粒子的團聚，顯著提高了納米SiO2粒子的尺寸穩(wěn)定性。 采用SEM和綜合熱分析儀分析了環(huán)氧/納米SiO2雜化膜的結(jié)構(gòu)和熱性能。研究炭纖維表面環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性對炭纖維/環(huán)氧微復合材料界面剪切強度、復合材料層間剪切強度和沖擊性能的影響，并利用SEM觀察計算炭纖維表面形成涂層的厚度，確定了環(huán)氧/納米SiO2雜化

5、漿料的合成工藝。同時發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性不僅能改善復合材料的界面性能，而且提高了材料的沖擊性能。環(huán)氧/納米SiO2雜化漿料改性與電化學氧化改性相結(jié)合，進一步改善了復合材料性能。 利用SEM和綜合熱分析儀分析了異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化膜的結(jié)構(gòu)和熱性能。研究炭纖維表面異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性對炭纖維/異構(gòu)聚酰亞胺微復合材料界面剪切強度的影響，并利用SEM觀察計算炭纖維表面形成涂層的厚度，確定異構(gòu)聚

6、酰亞胺/納米SiO2雜化漿料的合成工藝。將異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性與電化學氧化改性相結(jié)合，能夠進一步改善復合材料的界面性能。對炭纖維/異構(gòu)聚酰亞胺復合材料性能的研究表明異構(gòu)聚酰亞胺/納米SiO2雜化漿料改性同時提高了復合材料層間剪切強度、沖擊性能和耐熱性能。 通過XPS分析和扭辮分析證實兩種雜化漿料中的Si-OH能與炭纖維表面的C-OH和COOH發(fā)生化學反應，形成與炭纖維牢固結(jié)合的雜化涂層，雜化涂層中的環(huán)氧環(huán)或苯乙

7、炔基分別參與各自基體的固化反應，形成了具有化學鍵合的強界面，從而改善了界面性能，揭示化學鍵作用增效機制。浸潤實驗、SEM分析和AFM分析表明雜化漿料在炭纖維表面產(chǎn)生了納米效應，增加了炭纖維表面粗糙度和表面能、提高了炭纖維表面浸潤性能，同時形成良好的嵌接或嚙合，提高機械絞合強度，改善了界面性能，闡明浸潤作用增效機制和嚙合作用增效機制。納米壓痕性能分析說明聚合物/無機雜化界面層的力學性能高于相應的樹脂基體，能夠起到均勻傳遞應力的作用，改善了