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碳纤维表面修饰及增强尼龙66复合材料的研究

潘任行  
【摘要】:热塑性树脂复合材料具有可重复回收利用、加工成型快等优点,近些年来在复合材料领域中一直受到广泛关注。碳纤维增强尼龙66(CFRPA66)具有优异的力学性能、自润滑性和导电性能,被广泛应用在机械、电子等领域。目前商品化碳纤维主要用于增强热固性复合材料,上浆剂以环氧为主,能与热固性树脂基体形成化学键。但热塑性复合材料基体,如尼龙66(PA66),加工温度较高(240℃~270℃),是线型大分子,熔体粘度高,与增强材料之间没有化学键,所以与热固性复合材料界面特征不同。而且环氧上浆剂在温度超过120℃时就会发生自交联,无法承受PA66的加工温度,所以无法与PA66形成良好的界面。因此应用于热塑性复合材料的碳纤维表面技术成为了一个广受关注的重要研究课题。 本工作首先将碳纤维进行电化学表面处理,在碳纤维表面引入活性基团比如-C-OH和-COOH,然后使用自配的聚氨酯(PU)上浆剂对碳纤维进行上浆处理,最后将碳纤维通过挤出造粒和注塑的方法制备成CFRPA66,通过力学性能测试和结构分析,对比碳纤维表面上浆剂的不同对CFRPA66结构性能的影响。在此基础上,通过数学模型的拟合分析,得到了CFRPA66的碳纤维取向情况、不同上浆剂对界面强度的影响,并对CFRPA66的破坏机理进行了分析。通过以上 研究工作得到了如下结论: 1.碳纤维经过电化学处理之后,表面受到了电化学刻蚀,单丝强度有所下降,但碳纤维表面亲水性提高,含氧量增高到3.97wt.%,表面的-CH、C-C基团与含氧活性官能团的比例由1:0.31增加到了1:0.44。 2.使用自配的PU浆料在固含量为3%时制备的碳纤维上浆量为5%,可得到外观性能好、毛丝断丝较少的碳纤维丝束;与环氧上浆的碳纤维相比,经上浆后的碳纤维丝束与PA66的平均最大脱粘力提高了54.7%。 3.喂料工艺影响碳纤维在CFRPA66中的保留长度,进而影响了CFRPA66的力学性能,以碳纤维含量10%为例,选择玻纤口喂料的挤出工艺,比采用主喂料工艺制备的CFRPA66拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度各有44.9%、79.2%和20%的提高。 4.使用自配PU浆料上浆的碳纤维与PA66拥有更好的界面结合性能,所制备的CFRPA66也拥有更高的力学性能,以碳纤维含量10%为例,使用PU浆料上浆的碳纤维制备的CFRPA66与使用环氧浆料的碳纤维相比,拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度各有18.3%、19.1%和9.1%的提高。 5. Halpin-Tsai模型未能较好的拟合CFRPA66的拉伸性能,通过ROM混合模型拟合得到了纤维取向参数,发现PU上浆的碳纤维在PA66中的运动阻力更小,通过Kelly-Tyson模型拟合,得到表面为环氧浆料和PU浆料的两种碳纤维与PA66的界面强度分别为62.82MPa和86.99MPa,相差38.48%,证明自配的PU浆料对碳纤维与PA66的界面有更好的增强效果。


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