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连续纤维增强热塑性PCBT基复合材料工艺及性能研究

张翼鹏  
【摘要】:环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)树脂是一种具有大环寡聚酯结构的新型功能树脂,熔融后粘度会变得像水一样低;加入催化剂在适当温度下可以发生开环聚合,得到热塑性工程塑料——聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)。由于CBT树脂熔体粘度较低,可以采用类似于传统热固性复合材料的成型工艺制备热塑性复合材料,同时由于PCBT自身性能的优越性使得热塑性PCBT基复合材料具有较高的强度、较好的韧性和可回收利用性,在热塑性复合材料领域有极大的发展潜力。论文利用CBT的原位聚合合成PCBT,并采用复合材料液态成型工艺制备连续纤维增强热塑性PCBT基复合材料。通过对不同工艺参数的对比研究,包括催化剂用量、聚合反应温度、聚合反应时间、催化剂混合时间以及真空压力,确定复合材料制备的最佳工艺参数,并对实验设备进行改进,研究出一种新方法——催化剂负载法,该方法极大地延长了树脂注射时间窗口,使大尺寸复杂形状复合材料制件的制备成为可能。并对基体树脂PCBT的性能进行了研究,包括分子量大小、结晶度、树脂与纤维的界面剪切强度。还对玻璃纤维和碳纤维增强PCBT基复合材料的力学性能进行了测试,分析研究了催化剂用量和不同后处理方式对两种复合材料力学性能的影响。对催化剂用量、反应温度、催化剂与树脂混合时间和真空压力对树脂注射时间窗口的影响进行了研究。结果表明:最佳工艺条件为催化剂用量为0.5%,反应温度为180℃,混合时间为15s,真空压力为-0.095MPa。对反应装置进行设计和改进,并采用全新的催化剂负载的方法,极大地延长了树脂注射时间窗口,从之前的200s左右延长至500s左右。工艺改进后使得PCBT复合材料具有制备大尺寸复杂形状制件的可能性。对复合材料树脂基体的性能进行了研究。结果表明:催化剂的用量会影响PCBT的相对分子质量和结晶度。当催化剂用量较少为0.3%左右时,PCBT的分子量大小为5238,结晶度为34%。随着催化剂用量的增加,体系中活性中心的数量增加,链增长反应的速度增加,因而聚合物的分子量逐渐增大。当催化剂用量为0.5%时,反应体系中的活性中心的数量足以使得聚合物分子量达到较高的程度,此时PCBT的粘均分子量大小为18744,结晶度为53%。此后进一步增加催化剂的用量,PCBT的分子量和结晶度变化并不明显。随着聚合温度从160℃升高到210℃,PCBT的相对分子量出现先增大后减小的变化,结晶度也呈现先升高后降低的变化。聚合温度为160℃时,PCBT的分子量大小为8765,结晶度为37%。聚合温度为180℃-190℃时,PCBT的分子量达到最大19146,结晶度为55%。温度继续升高至210℃,聚合物分子量下降至12746,结晶度也下降至47%。玻璃纤维与PCBT的界面剪切强度约为34.31MPa,碳纤维与PCBT的界面剪切强度约为56.96MPa。最后分别对最佳工艺条件下GF/PCBT和CF/PCBT两种复合材料的力学性能进行研究。结果表明:对于GF/PCBT复合材料,拉伸强度为520MPa,拉伸模量为27GPa,弯曲强度为475MPa,弯曲模量为24.8GPa,层间剪切强度为42.5MPa。对于CF/PCBT复合材料,拉伸强度为771MPa,拉伸模量为63GPa,弯曲强度为545MPa,弯曲模量为62GPa,层间剪切强度为45.6MPa。


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