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多酚修饰碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能研究

张孟杰  
【摘要】:碳纤维具有较高的使用温度、高强度和刚度,并且重量较轻。其被广泛用作先进聚合物复合材料的增强体。但是,由于碳纤维在制造过程中要经历碳化或石墨化等工艺,导致其表面稳定、惰性,因此难以和基体之间形成牢固的物理/化学相互结合作用。然而,由于碳纤维增强聚合物复合材料的力学性能很大程度上依赖于碳纤维与聚合物基体的粘结质量。不良的界面结合会极大地限制复合材料在高性能领域的应用。需要通过碳纤维表面处理来达到提高复合材料界面性能的目的。碳纤维的表面处理通常是通过在纤维表面引入化学官能团或纳米粒子来实现惰性碳纤维表面的活化的。当前,针对碳纤维表面处理的多种多样的研究已经展开,但多数方法存在环境污染、成本高、工艺复杂、对纤维本身有损伤等各种不足。为了顺应当今环保、可持续的发展理念,碳纤维表面处理应当朝着低成本、可持续且环境友好的方向研究。本文围绕改善碳纤维和树脂基体之间界面结合的中心思想,以贻贝黏附蛋白为启发,在不损伤纤维本身强度的前提下,采用低成本、环保、温和的方法处理碳纤维。本文的主要研究内容为:(1)从贻贝黏附蛋白中得到灵感,结合多巴胺自聚的反应机理,以邻苯二酚和聚乙烯亚胺为原料,通过迈克尔加成或希夫碱反应,在碳纤维表面生成一种具有良好黏附能力的改性涂层。通过TGA、FTIR、拉曼光谱、XPS、动态接触角对改性前后的碳纤维进行了表征,证明了邻苯二酚-聚乙烯亚胺涂层成功涂覆到纤维表面。通过控制邻苯二酚和聚乙烯亚胺的比例,得到最佳的改性效果。紫外-可见光谱、SEM证明了当邻苯二酚和聚乙烯亚胺的比例为1:0.5时,纤维表面的涂层最均匀。界面及力学性能测试结果表明,邻苯二酚-聚乙烯亚胺的质量比为1:0.5时,其处理的碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能达到最佳,其界面剪切强度为75.2 MPa,层间剪切强度为80.1 MPa,横向拉伸强度为32.1 MPa,弯曲强度为976.4 MPa;与未处理的碳纤维复合材料相比分别提高了73.7%,51.7%,86.6%,51.9%。通过SEM查看复合材料断面形貌,邻苯二酚-聚乙烯亚胺处理后的碳纤维/环氧树脂界面结合紧密,复合材料破坏形式由界面破坏转变为内聚破坏。(2)从多巴胺自聚得到启发,以低成本生物基原料单宁酸和氨丙基三乙氧基硅烷为原料,通过迈克尔加成或希夫碱反应共聚,在碳纤维表面生成一种具有良好黏附能力的改性涂层。研究了单宁酸和氨丙基三乙氧基硅烷共聚对碳纤维复合材料界面性能的良性作用。通过SEM、TGA、FTIR、拉曼光谱、XPS、动态接触角等对改性前后的碳纤维进行了探究,证明了单宁酸-氨丙基三乙氧基硅烷成功修饰到了碳纤维表面。界面及力学性能测试结果表明,单宁酸-氨丙基三乙氧基硅烷共沉积处理碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能明显提高,其界面剪切强度为73.5 MPa,层间剪切强度为80.2 MPa,横向拉伸强度为27.9 MPa,弯曲强度为1028.1 MPa;与未处理的碳纤维复合材料相比分别提高了71.3%,59.9%,58.5%,33.2%。通过SEM对复合材料断面进行分析,单宁酸-氨丙基三乙氧基硅烷处理后的碳纤维与环氧树脂间的界面结合变好,复合材料失效形式由界面破坏转变为内聚破坏。(3)由聚多巴胺的聚合黏附受到启发,根据多巴胺中的邻苯酚羟基和氨基在自聚过程中能发生迈克尔加成或希夫碱反应,选取低成本生物基的没食子酸为邻苯酚来源原料,明胶为氨基来源原料,在类似多巴胺自聚的条件下反应,生成一种具有极强黏附能力的共聚物包覆在碳纤维表面,以活化碳纤维表面,促进树脂在纤维上的润湿,增加纤维-树脂间的相互作用,从而提高复合材料的界面性能。通过SEM、TGA、FTIR、拉曼光谱、XPS、动态接触角等对改性前后的碳纤维进行了表征,证明了没食子酸-明胶共聚物修饰到了碳纤维表面。没食子酸-明胶共沉积处理碳纤维环氧树脂复合材料界面性能明显提高,其界面剪切强度为85.6 MPa,层间剪切强度为82.6 MPa,弯曲强度为1223.7 MPa;与未处理的碳纤维复合材料相比分别提高了78.7%,56.4%,57.4%。没食子酸-明胶处理后的碳纤维与环氧树脂间的界面结合变得紧密,树脂与纤维间没有出现分离,复合材料的失效形式由界面裂开转变为内聚损坏。


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