碳纤维改性对不饱和聚酯自修复复合材料性能的影响

采用H_2O_2和浓HNO_3对碳纤维(CF)表面分别进行氧化处理,得到氧化碳纤维(OCF1和OCF2),采用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对OCF1进行接枝处理,得到接枝改性碳纤维(KCF),将改性前后CF应用于不饱和聚酯(UP)自修复复合材料中,分析比较了不同改性剂及改性方法对碳纤维/不饱和聚酯(CF/UP)自修复复合材料性能的影响。利用FTIR、XPS、SEM表征CF与CF/UP自修复复合材料的化学结构与形貌,通过TGA、万能拉力试验机、悬臂梁冲击仪、邵氏硬度计等对复合材料的热稳定性、力学性能及自修复效率进行测试。结果表明:氧化、接枝反应均可增加CF表面的粗糙度和活性官能团含量,从而改善CF与UP基体的界面相容性。其中OCF1/UP自修复复合材料的综合力学性能比OCF2/UP自修复复合材料好,KCF/UP自修复复合材料的力学性能在三者之中最佳,其自修复效率最高,可达67.03%。     

St/LA/KH-570三元共聚物的合成及其在碳纤维增强聚丙烯中的应用

采用自由基溶液聚合法合成界面改性剂丙烯酸十二烷基酯、苯乙烯和3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷的三元共聚物(St/LA/KH-570),对进行氧化处理后的碳纤维进行表面改性。通过红外光谱、核磁谱图和凝胶渗透色谱对界面改性剂进行表征。结果表明:合成的界面改性剂能很好的涂覆于碳纤维表面,碳纤维增强聚丙烯复合材料的界面粘结也得到改善,且复合材料的力学性能有所提高。     

官能团化碳纤维/热塑性聚氨酯复合泡沫材料的制备及力学性能

采用浓H_3PO_4/浓HNO_3混酸体系对碳纤维(CF)表面进行预处理得到酸化碳纤维,再利用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与酸化碳纤维发生接枝反应,制得官能团化碳纤维(MCF)。将其与热塑性聚氨酯(TPU)熔融共混得到MCF/TPU复合泡沫材料。利用红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、拉曼光谱和场发射扫描电镜等表征了纤维接枝改性效果和复合材料结构及断面形貌。结果表明,化学接枝使得纤维表面官能团化,并且接枝改性增加了纤维表面的粗糙度及无序程度。从而成功地改善了纤维和TPU基体的界面粘合力和相容性。力学性能分析表明,相比接枝前的CF,MCF可明显提高复合泡沫材料的力学性能,当纤维添加量为3%时,较改性前拉伸强度提高了16.1%,断裂伸长率提高了18.5%,撕裂强度提升了3.2%,回弹性提高了6.7%,压缩永久变形降低了6.9%。     

电化学氧化对高强高模碳纤维表面结构及力学性能的影响

利用循环伏安多重扫描法分析了不同电解质的氧化能力及其氧化特点,讨论了在表面氧化处理中不同电解液体系对高模高强碳纤维力学性能的影响,提出了适合高强高模碳纤维表面处理的工艺条件,并通过Raman光谱、XPS与SEM的表征,研究了电化学氧化对高强高模碳纤维表面结构及力学性能的影响。研究结果表明,与NH₄H₂PO₄溶液相比,用NH₄H₂PO₄与CH₃COONH₄复合的电解质溶液对碳纤维进行表面处理,能大幅度提高纤维表面含氧官能团,而且纤维表面sp²杂化碳原子相对含量也较多,在提高了碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的同时,还较好地保持了高强高模碳纤维本体力学性能。当CH₃COONH₄与NH₄H₂PO₄的物质的量之比为2:1时,碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS与未处理纤维相比提高了168%,而碳纤维拉伸强度却下降很小,此复合电解质溶液是一种较为理想的对高强高模碳纤维进行表面改性的电解质体系。     

光棒废料改性环氧树脂复合材料的制备和性能

将光棒废料烘干、破碎、煅烧和研磨,分别由KH-570和A-151表面改性制备KH-570/SiO₂和A-151/SiO₂废料粉末,再把改性前后的粉末分别与EP共混固化制备出复合材料。疏水性测试、FT-IR和SEM观测的结果表明,两种偶联剂对废料颗粒的改性效果较好,其中A-151的改性效果更好。几种复合材料拉伸性能的排序为A-151/SiO₂/EP＞KH-570/SiO₂/EP＞未改性粉末/EP,且粉末填充质量分数为20%的材料拉伸性能最优,其拉伸强度分别为49.37 MPa、45.57 MPa、44.36 MPa,比纯EP固化物分别提高了19.9%、10.7%和7.8%,断裂伸长率的提高量最大,比纯EP固化物分别提高了0.92%、0.82%和0.46%。改性效果好的废料粉末填充制备的复合材料,其耐热性能更优。     

改性纳米SiO2/硅橡胶复合材料的制备及性能

为提高纳米SiO₂在硅橡胶（SR）基体中的分散性及两相间的界面结合力,设计以羟基硅油（HSO）和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）为纳米SiO₂的表面封端改性剂,并将改性SiO₂与双组份加成型液体SR复合得到改性纳米SiO₂/SR复合材料。通过一系列表征手段对改性纳米SiO₂的形貌结构及其在乙醇中的分散性等进行分析,研究了改性纳米SiO₂对纳米SiO₂/SR复合材料的断面形貌、力学性能及热稳定性的影响。结果表明:KH570成功接枝到纳米SiO₂表面并与SR基体间形成化学键。当HSO协同KH570改性纳米SiO₂时,可有效改善纳米SiO₂在SR基体中的分散性能及纳米SiO₂与SR两相间的界面结合性能,并显著提高纳米SiO₂/SR复合材料的力学性能和热稳定性。将SiO₂∶HSO∶KH570以质量比为2.0∶0.2∶0.6处理的改性纳米SiO₂粒子,得到的改性纳米SiO₂/SR复合材料起始热分解温度提高了230℃。当SiO₂∶HSO∶KH570质量比为2.0∶0.2∶0.45时,改性纳米SiO₂/SR复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了约1倍。      

PBST/TiO2/MgO复合薄膜的制备及性能

采用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对TiO₂/MgO NPs改性,采用溶液共混法制备了聚丁二酸-共-对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)/TiO₂/MgO NPs纳米复合薄膜,并探讨了其在食品包装方面的应用。研究了改性TiO₂/MgO NPs对PBST基体机械、阻隔、抗菌和保鲜性能的影响。结果表明：复合膜的抗拉强度和水蒸汽透过率分别为29.39MPa和2.43×10^-11g·m/(m²·s·Pa),相较PBST基体抗拉强度提高了24.32%,水蒸汽透过率降低了32.37%,且对金黄色葡萄球菌(S.aures)和大肠杆菌(E.coli)抑菌效果显著,分别达到98.7%和97.2%,并对圣女果有良好的保鲜性能,当改性后的TiO₂/MgO NPs质量含量为5%时,复合薄膜的性能最佳。     

EVA/OSEP复合发泡材料的形貌及性能研究

采用双十烷基二甲基氯化铵(DDAC)对海泡石(SEP)进行有机化改性,制备有机改性海泡石(OSEP)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)复合发泡材料。采用XRD考察DDAC对OSEP的改性效果,通过SEM对复合发泡材料的泡孔结构进行观察和分析,并研究了复合发泡材料的物理性能。结果表明,SEP经过有机化改性后层间距显著增加,OSEP能够起到异相成核作用,可以改善EVA发泡材料的泡孔结构和物理性能。     

高强高模碳纤维表面电化学氮化机制

高温石墨化使高强高模碳纤维(CF)表面光滑,反应活性低,导致其复合材料界面粘接性能差。杂原子改性是改善CF表面反应活性的有效手段之一。采用循环伏安(CV)方法在有机复合电解液中对高强高模CF进行了表面氧化和氮化改性,采用CV优选的复合电解液进行恒流电化学氧化处理,研究了CV扫描次数和电解液中含氮有机物对CF表面化学组成的影响。电化学处理前后CF表面化学元素组成和微观形态变化通过XPS、SEM及拉曼光谱表征。基于实验数据探讨了CF表面含氮官能团的生成及转变机制。研究结果显示,有机溶剂、有机氮源和含硫铵盐的协同作用使CF表面N含量从0.28at%增至4.77at%。适量的水存在,可以使CF表面O含量显著提高。CF表面的含氧官能团可以与CO(NH₂)₂中的-NH₂及电解液中的NH₄⁺反应形成酰胺基团,随着反应时间延长,CF表面的酰胺N会先转变成氧化氮,随后转变成吡啶和吡咯N,并最终转换成石墨N。恒流电化学处理后CF/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)较未处理的提高了132%,...     

混合锆类粉体对高模量碳纤维表面改性的研究

混合锆类粉体是含有锆元素的无机陶瓷材料。采用溶胶-凝胶法与碳热还原法制备得到了ZrO₂、ZrB₂、ZrC、ZrN混合锆类陶瓷粉体，并利用连续上浆工艺将其涂覆到碳纤维表面。采用X射线衍射仪对锆类粉体进行了结构与组分的分析。通过扫描电子显微镜、热重测试研究了混合锆类粉体的加入对碳纤维表面形貌、耐热性能的影响。结果表明，实验条件下制备混合锆类粉体的最佳原料配比是n(Zr)∶n(B)∶n(C)=1∶2.5∶12,粉体的最佳烧结温度为1600℃,此时粉体中ZrB₂含量相对最多；高模碳纤维经过10%粉体上浆改性后，碳纤维的起始氧化温度从675.1℃升高到了717.9℃,氧化反应的表观活化能从76.41kJ/mol升高到115.43kJ/mol。     

大分子偶联剂的合成及其对SiO_2/三元乙丙橡胶复合材料性能的影响

为改善SiO2在三元乙丙橡胶(EPDM)复合材料中的分散性并获得良好界面性能,通过传统自由基聚合法合成了一系列不同接枝率的大分子偶联剂,即EPDM、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)的三元共聚物。采用不同接枝率的大分子偶联剂对SiO2/EPDM复合材料进行改性。通过FTIR、1 H-NMR、TGA、DMA和SEM对三元共聚物的结构和SiO2/EPDM复合材料的性能进行研究。结果表明:添加了大分子偶联剂的SiO2/EPDM复合材料的相容性得到了显著改善,拉伸强度和撕裂强度比未经偶联剂处理的SiO2/EPDM复合材料分别提高了109.4%和44.0%;SiO2表面改性后的SiO2/EPDM复合材料的储能模量和玻璃化转变温度有所升高。     

纳米TiO2对木纤维/聚丙烯复合材料抗紫外老化性能的影响

木塑复合材料作为室外建筑装饰材料时,暴露在紫外光的照射下,易老化导致其力学性能降低、使用寿命减少。将具有高效紫外线屏蔽能力的金红石型纳米TiO₂经硅烷偶联剂KH-570表面改性后,与木纤维(WF)、聚丙烯(PP)等制备了TiO₂-WF/PP复合材料。对TiO₂-WF/PP复合材料进行了人工加速紫外老化,并利用FTIR、TG、SEM、力学性能分析、颜色变化分析等手段,探究了纳米TiO₂对WF/PP复合材料抗紫外老化的影响。结果表明:改性纳米TiO₂粒子在WF/PP复合材料中均匀分散,无明显团聚,且其加入显著提高了复合材料的热稳定性;TiO₂-WF/PP复合材料随着老化时间的延长,力学性能下降相对较小且颜色变化较小。当纳米TiO₂的质量分数为2 wt%~3 wt%,老化2 000 h时后,TiO₂-WF/PP复合材料的拉伸强度、冲击强度仅分别下降10.0%和12.6%;未加入纳米TiO₂颗粒的WF/PP复合材料,则分别下降20.2%和22.6%。      

载银纳米TiO2表面改性对抗菌涂料性能的影响

以硅烷偶联剂(KH-570)对纳米TiO2/Ag+进行表面处理,对处理后的纳米TiO2/Ag+进行表征后证实,硅烷偶联剂以化学键的形式键合在纳米TiO2的表面。采用原位乳液聚合方法制得载银纳米TiO2/苯乙烯-丙烯酸酯复合乳液,TEM测试表明纳米TiO2被均匀地包覆在乳液中。采用该复合乳液为基料与各助剂等原料按一定比例配制成涂料,经性能测试后表明,与普通共混制得的涂料相比,该涂料的抗菌性能得到明显的提高,并且有很强的紫外光吸收性能。     

硅烷偶联剂KH-570对纳米二氧化硅的表面改性研究

为改善用作农药载体的纳米SiO2的分散性和疏水性,以硅烷偶联剂KH-570对纳米SiO2进行了表面改性,通过SEM、XRD、FTIR以及元素分析等表征方法对产物结构和性能进行了分析,结果表明,KH-570能够成功地对纳米SiO2进行改性,并且提高其分散性。最佳偶联改性的反应条件为：改性剂用量5%,改性时间5h。在此条件下,改性纳米SiO2的接枝率为11.7%。     

夹层结构Cf-Si3N4复合材料微波介电响应机理研究

以短切炭纤维、氮化硅为原料, 采用凝胶注模工艺, 在1600℃、N₂气氛下无压烧结制备了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料。采用网络矢量分析仪测试了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料在X波段的介电响应行为, 并通过理论建模深入分析了该复合材料的微波介电响应机理。结果表明: 短切炭纤维呈二维分布的夹层结构, C_f-Si₃N₄复合材料介电常数随着炭纤维面密度增加存在“阈值”现象。通过修正Debye模型, 提出了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料在炭纤维形成导通网络后的介电响应理论模型, 揭示了夹层结构C_f-Si₃N₄复合材料介电损耗频散特性的机理。研究结果还表明, 在短切炭纤维刚刚形成导通网络时, 复合材料的弛豫时间存在较大分散性, 介电常数可采用多弛豫时间函数分段描述法。随着炭纤维面密度逐步增加, 弛豫时间的分散性减小, 分段弛豫时间函数演化成单一弛豫时间理论模型。     

纳米SiO2改性竹纤维/乙烯基树脂复合材料界面相容性

以乙烯基树脂(VE)为基体,竹纤维(BF)为增强材料,通过偶联剂KH602对纳米SiO₂进行改性处理,并利用改性后纳米SiO₂分别对竹纤维和树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)制备了BF/VE复合材料。采用FTIR、SEM对改性后纤维和树脂的表面物理化学状态进行表征,结果表明:改性纳米SiO₂成功化学接枝到竹纤维表面且分散到树脂基体中,改性纳米SiO₂在BF1/VE0.5 (用1.0wt%改性纳米SiO₂改性纤维和0.5wt%改性纳米SiO₂改性树脂)复合材料中分散更为均匀;采用力学试验机和SEM对复合材料力学、断口和表面形貌进行分析,考察改性纳米SiO₂的添加量对BF/VE复合材料力学性能、界面性能的影响。结果表明:BF1/VE0.5复合材料的拉伸、弯曲及冲击强度分别达到最大值49.0 MPa、70.6 MPa和150.4 J/m,与未处理的复合材料相比分别提高了18.9%、26.1%、70.7%。此外,还初步探讨了改性纳米SiO₂的界面增强机制。      

玻璃纤维表面纳米SiO_2改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响

为研究玻璃纤维(GF)表面纳米SiO2改性对GF增强树脂基复合材料力学性能的影响,利用真空辅助模压(VAMP)工艺制备了不同含量的纳米SiO2表面改性GF增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。分析了GF表面改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响,研究了纤维表面改性对GF/PCBT复合材料抗湿热老化性能的影响规律。纤维拔出试验结果表明:经表面处理的GF/PCBT复合材料的界面剪切强度提高了1.16倍;采用含量为0.5wt%和2wt%(与树脂质量比)的纳米SiO2处理GF表面后,复合材料的三点弯曲强度分别提高1.5倍和1.67倍,弯曲模量分别提高1.03倍和1.17倍。SEM结果显示:当纳米SiO2用量为2wt%时,破坏后的纤维表面被树脂完全覆盖,树脂与纤维粘结良好。在湿热条件下,由于纳米SiO2颗粒的存在,水分子很难通过界面相扩散到改性后的材料内部,其抗湿热性能提高。     

Comparison of chemical vapor deposition and chemical grafting for improving the mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites with multi-wall carbon nanotubes

By engineering the fiber/matrix interface, the properties of the composite can be changed significantly. In this work, we increased the effective surface area of the fiber/matrix interface, to facilitate additional stress transfer between fibers and matrix, by grafting carbon nanotubes on to carbon fibers (in the form of carbon fabric) by two different methods: (1) chemical vapor deposition (CVD) method and (2) a purely chemical method. With the CVD process, carbon nanotubes (CNT) were directly grown on carbon fiber substrate using chemical vapors. For the chemical method, CNT with carboxyl groups were grafted on functionalized carbon fiber via a chemical reaction. The morphology of CNT/carbon fibers was examined by scanning electron microscope (SEM) which revealed uniform coverage of carbon fibers with CNT in both of CVD method and chemical grafting method. CNT-grafted woven carbon fibers were used to make carbon/epoxy composites, and their mechanical properties were measured using three-point bending and tension tests which showed that those with CNT-grafted carbon fiber reinforcements using the CVD process has 11 % higher tensile strength compared to those containing carbon fibers modified with the chemical method. Also, composites with CNT-grafted carbon fibers with chemical method showed 20 % higher tensile strength compared to composites with unmodified carbon fibers. The results of tensile test revealed that both CVD and chemical grafting could significantly improve the mechanical properties of the carbon fiber composites.