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芳纶纤维/酚醛树脂复合材料的研究

顾成龙  
【摘要】:纤维增强树脂基复合材料以其轻质、高比强、高比模、耐高温和极强的材料-性能可设计性而成为发展迅猛的高技术材料之一。芳纶纤维(Kevlar)是一种高性能有机纤维,酚醛树脂(PF)是一种力学性能优异的热固性树脂,因此芳纶纤维与酚醛树脂的有机结合可望获得性能更加优异的复合材料。然而由于酚醛树脂固化温度高,高的固化温度对复合材料的力学性能有影响,且固化物强度高,其韧性较差,不能达到韧性和刚性的适中范围;芳纶纤维表面化学活性低,极性官能团较少,而且表面光滑,导致纤维与树脂基体的界面粘结性能差,不能获得性能优异的先进聚合物基复合材料。因此,本文就针对芳纶纤维/酚醛树脂复合材料存在的上述问题,展开了相关研究。 首先,本文以KH-550为原料,通过水解缩合法设计制备了一种带有-Si-O-Si-官能团的超支化聚硅氧烷(HPSi)。以HPSi作为改性剂,制得HPSi/PF树脂,研究了HPSi含量对HPSi/PF树脂的固化行为和性能的影响。结果表明,在酚醛树脂中通过加入超支化聚硅氧烷,使树脂基体中形成一种韧性较好的-Si-O-Si-的交联网络,且结构中含有一定量的苯环结构,可以有效的调节酚醛树脂的韧性和刚性;对于改性的酚醛树脂,还突出研究了其热学性能、介电性能等。 其次,针对芳纶纤维同树脂基体之间粘接性差的问题,我们采用磷酸处理的方法对芳纶纤维进行表面改性。通过考察纤维表面化学结构、元素组成、表面形貌以及表面粗糙度的变化,研究对芳纶纤维表面性能的影响。结果表明,经过磷酸溶液处理的纤维表面存在一定量的极性官能团,表面变粗糙,有明显的凹槽,从而增加了其同树脂基体之间的相容性。 最后,研究了不同超支化硅氧烷含量的改性树脂对复合材料界面性能的影响。研究发现,不同含量的超支化硅氧烷的加入,由于树脂性能的差异以及树脂与纤维之间的粘结力的差异,导致复合材料的界面性能存在着明显的变化趋势。


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