芳綸纖維增強(qiáng)可溶性聚芳醚復(fù)合材料的制備技術(shù)、界面表征及性能研究.pdf

1、本論文工作系國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)50743012)和遼寧省新世紀(jì)優(yōu)秀人才(項(xiàng)目編號(hào)RC2005-14)的部分研究工作內(nèi)容。論文中選用耐熱等級(jí)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(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)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(gòu)表征及其與性能關(guān)系的研究工作。針對(duì)芳綸纖維表面缺乏活性基團(tuán)、表面光滑以及表面能低等問題，采用射頻低溫等離子體對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行改性，對(duì)復(fù)合材料界面粘接性能進(jìn)行優(yōu)

2、化設(shè)計(jì)。另外，對(duì)等離子體處理纖維表面的退化效應(yīng)進(jìn)行了初步探討。
　　 論文中選用目前應(yīng)用最廣和性能最好的有機(jī)芳綸纖維(Twaron和Armos)作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相。采用氧氣等離子體處理方法對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行改性，利用溶液預(yù)浸漬工藝和高溫模壓成型技術(shù)制備了等離子體處理前后的芳綸纖維/PPESK樹脂基復(fù)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(dòng)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(xué)結(jié)構(gòu)、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(cè)試復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)來表征復(fù)合材料的界面粘結(jié)性能。并對(duì)復(fù)合材料的吸水率進(jìn)行測(cè)定來間接反映復(fù)合材料的界面粘結(jié)情況。通過對(duì)復(fù)合材料界面破壞形貌進(jìn)行掃描觀察，從而進(jìn)一步分析復(fù)合材料的界面粘結(jié)機(jī)理。
　　 本文首先考察了氧氣等離子體處理對(duì)Twaron纖維表面及其復(fù)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(tuán)-COO-結(jié)構(gòu)，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(shí)間為15min時(shí)，Twaron纖維/PPESK復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由未處理時(shí)的39.2MPa增加到52.0MPa，提高了32.6％。
　　 其次，通過對(duì)等離子體處理時(shí)間與放電功率對(duì)Armos纖維表面狀態(tài)及其復(fù)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(tuán)，同時(shí)對(duì)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(yīng)地改善。在等離子體處理功率為200W、處理時(shí)間為lOmin時(shí)，Armos纖維/PPESK復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由未處理時(shí)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(fù)合材料的吸水率也表現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。但較長時(shí)間和較大功率的處理?xiàng)l件均會(huì)造成纖維表面剝離與消熔，纖維表面損傷嚴(yán)重，使得纖維表面極性官能團(tuán)減

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

7、合材料界面結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，纖維與樹脂基體間的化學(xué)鍵接和機(jī)械嵌合作用均有利于提高復(fù)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(shí)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(xué)組成和浸潤性能隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長發(fā)生明顯的退化效應(yīng)。而在時(shí)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(tuán)發(fā)生重排、翻轉(zhuǎn)有關(guān)。另外，芳綸/PPESK復(fù)合材料的界面