含碳纳米管上浆剂的制备及对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的影响

首先采用"Friedel-Crafts"酰化反应制备羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)并将其与环氧树脂、丙酮混合制成含MWCNTs的上浆剂,然后用该上浆剂浸渍碳纤维制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强纤维。采用扫描电镜研究了上浆处理对碳纤维表面形貌的影响,采用短臂梁剪切测试方法研究了含碳纳米管的上浆剂对碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响。结果表明,碳纳米管在上浆剂中的分散状态直接影响纤维表面碳纳米管分布的均匀性;与未浸渍的碳纤维相比,含碳纳米管上浆剂浸渍后的碳纤维/环氧树脂复合材料的ILSS提高了34.33%。通过上浆剂红外光谱表征、纤维束表面浸润性测试及ILSS试样端口形貌的观察,分析了层间增韧机理。研究表明,碳纤维束表面浸润性的提高以及碳纤维/环氧树脂界面处化学键合作用增强,是ILSS提高的主要原因。     

聚乙二醇的改性及水性环氧树脂乳液性能研究

采用氧化聚乙二醇(PEG)得到两端为羧基的改性PEG(PEG-COOH),将其与环氧树脂原位反应制得水性环氧树脂乳液。研究了PEG相对分子质量、PEG-COOH用量和环氧树脂对水性环氧树脂乳液的粒径、稳定性等的影响。结果表明,采用PEG相对分子质量为4000的PEG4000合成了PEG-COOH,以PEG-COOH∶环氧树脂E-20的配合比为25%(wt,质量分数)∶100%(wt,质量分数)条件下,制得的水性环氧树脂乳液的平均粒径为97.5nm。静置180d无沉淀,且水性环氧树脂乳液上浆碳纤维后,明显改善了碳纤维表面的沟槽状况。     

耐温型炭纤维乳液上浆剂

采用热分析、粒度分析、酸碱滴定、接触角测定、界面剪切强度测试等方法研究了由热塑性聚酰亚胺树脂GCPI与热固性环氧树脂618组成的耐高温炭纤维上浆剂的性能。结果表明：该复合型上浆剂乳液粒径小、分布窄，具有良好的贮存稳定性和耐酸碱性，上浆剂乳液对纤维的浸润性通过渗透剂脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC）调节。用该复合上浆乳液处理的炭纤维耐磨性能得到改善，且上浆后炭纤维与双马来酰亚胺基体树脂QY8911的界面剪切强度较上浆前提高97％。在高温350℃时，其复合界面剪切强度保持率可达室温时的75．62％。     

上浆剂对国产T700级碳纤维复合材料界面性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征了上浆/未上浆国产T700级(MT700)碳纤维的表面特性,并通过单丝断裂实验测试了单丝复合体系微观界面剪切强度(IFSS),在此基础上研究了碳纤维表面特性对单丝复合体系微观界面性能及其耐湿热性能的影响.研究表明:MT700碳纤维表面上浆剂改善了纤维/基体微观界面强度及其耐湿热性能;湿热环境对复合材料的微观界面性能影响显著,尤其是造成纤维/基体间的化学键合作用破坏,去湿后部分界面性能可恢复.     

碳纤维水性杂化上浆剂的制备及其上浆后力学性能

以一定比例的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇制备含硅溶胶,将含硅溶胶和聚醚型水性聚氨酯的水溶液以一定比例复合,制备碳纤维水性杂化上浆剂。研究了不同配比对上浆剂平均粒径和稳定性的影响,结果表明:当水性聚氨酯含量为0.02g/mL时,上浆剂乳液平均粒径为99.94nm,粒径分布较窄,稳定性较好;使用制备的杂化上浆剂对碳纤维进行上浆处理,结果显示:上浆后碳纤维单丝拉伸强度较商用碳纤维提高4.45%,较未上浆碳纤维提高11.04%;与环氧树脂复合后的复合材料界面剪切强度比商用碳纤维增强环氧树脂复合材料的提高了13.74%。     

单丝断裂能量法研究温度对碳纤维/环氧界面性能的影响

针对两种不同上浆剂碳纤维/高温固化环氧树脂体系, 采用基于WND(Wagner-Nairn-Detassis)能量模型的单丝断裂法, 测试分析了从室温到130 ℃范围内单丝复合体系界面断裂能的变化规律, 研究了碳纤维上浆剂对界面耐热性能的影响, 并结合复合材料层板的短梁剪切性能, 分析了微观和宏观界面性能的关联性。结果表明: 在测试温度范围内, 碳纤维/环氧体系的界面断裂能随温度升高呈先下降而后基本不变的趋势, 去除上浆剂后界面断裂能及其随温度的变化程度与未去除上浆剂的情况存在差异, 说明上浆剂对界面耐热性有重要作用。碳纤维/环氧树脂层板层间剪切强度随温度升高线性下降, 与界面断裂能的变化规律不一致, 这与两种测试方法的原理及界面破坏位置的不同有关。      

环氧改性水性聚氨酯上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响

使用自行合成的环氧改性水性聚氨酯(EWPU)上浆剂对碳纤维进行表面处理,主要研究了EWPU上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和静态接触角等表征方法对比研究了二次上浆处理前碳纤维(CF)和处理后碳纤维(MCF)的表面形貌、表面化学元素组成和浸润性的变化,并通过单纤维破碎实验和短梁剪切法,研究了EWPU上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面力学性能的影响。结果表明,经EWPU上浆处理后碳纤维表面O/C值增加了39.13%,表面活性官能团的含量增加了14.97%,碳纤维与树脂的初始和稳态接触角分别减小了19.41%和20.59%,碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的单丝界面剪切强度和层间剪切强度分别增加了13.42%和14.29%。     

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法, 利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和, 解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题。分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量, 考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能, 并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较。结果表明: 单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致; 双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能, 且二者得到的变化规律一致; 湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势, 国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系。     

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法,利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和,解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题.分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量,考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能,并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较.结果表明:单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致;双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能,且二者得到的变化规律一致;湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势,国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系.     

磺化聚醚醚酮上浆剂的制备及其对碳纤维性能的影响

目的 制备一种热塑性上浆剂,以期改善碳纤维的表面性能以及单丝拉伸性能。方法 通过直接磺化法制备磺化聚醚醚酮水性上浆剂,并通过喷涂法对未上浆的T300碳纤维进行上浆处理,研究制得上浆剂的结构特征、性能以及其对碳纤维性能的影响。结果 制得磺化聚醚醚酮的磺化度约为74%,以此为主浆料配制的水性上浆剂具有良好的成膜性和储存稳定性。经上浆处理后,碳纤维表面形成了连续的磺化聚醚醚酮上浆层,表面官能团含量明显增加,树脂微滴在纤维表面的接触角降低。此外,上浆层可以弥补纤维表面的部分缺陷,使得上浆后碳纤维的单丝拉伸强度提高了5%。结论 磺化聚醚醚酮上浆剂可以有效改善碳纤维的表面性能及单丝拉伸性能。     

Effects of emulsion sizing with nano-SiO<Subscript>2</Subscript> on interfacial properties of carbon fibers/epoxy composites

Nano-SiO₂ particles were used to modify epoxy emulsion sizing of carbon fibers to improve the interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy composites. The mechanical interfacial strength between fibers and matrix was investigated by the single fiber fragmentation test and the 3-point short beam shear test, respectively. Dynamic contact angle analysis (DCAA), X-ray photoelectron spectrometry (XPS) and atomic force microscopy (AFM) were performed on the carbon fibers with unmodified sizing and nano-SiO₂ modified sizing. The results indicated that modified sizing with nano-SiO₂ slightly increased the surface energy, the hydroxyl functional group and the surface roughness of carbon fibers compared to unmodified sizing, so that the interfacial shear strength (IFSS) of the single fiber composites and the interlaminar shear strength (ILSS) of composites were enhanced. SEM images of fracture sections of composites proved powerfully that the interfacial adhesion between fibers and matrix was improved after nano-SiO₂ modified emulsion sizing treatment.     

高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。     

碳纤维表面状态对其复合材料界面性能的影响

为了研究上浆剂和湿热处理对复合材料微观界面性能的影响,通过单丝断裂实验测试去浆处理及湿热处理前后T300、T700SC、T800S碳纤维单丝/环氧树脂体系的界面剪切强度(IFSS),结合扫描电镜测试手段分析了纤维表面物理特性对IFSS的影响.结果表明:去浆及湿热处理均会引起三种单丝复合材料体系IFSS降低,断点形貌由X状向鞘状发生变化,但不同的单丝复合体系IFSS降幅以及断点形貌变化程度不同;去浆后,T700SC/环氧树脂体系IFSS降幅达70.67%,T300/环氧树脂体系仅下降6.05%;湿热处理72 h后,T300/环氧树脂体系IFSS下降幅度最小;湿热作用下,去浆后的单丝/环氧树脂体系IFSS的下降更为显著.     

纳米SiO2改性炭纤维乳液上浆剂的性能评价

采用纳米SiO₂改性环氧树脂乳液上浆剂和未改性乳液上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基炭纤维进行表面上浆。通过静置沉淀法和光学显微镜评价了两种乳液的稳定性。利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线能谱仪(EDS)、 原子力显微镜(AFM)和动态接触角测试仪(DCAA)研究了未上浆、 未改性和改性上浆炭纤维的表面性能, 并用单纤维碎裂法探讨了上浆剂对炭纤维与环氧树脂界面黏结的影响。结果表明: 未改性和经纳米SiO₂改性的两种乳液粒径较小, 稳定性较好, 而前者优于后者。上浆后, 炭纤维表面的粗糙度和表面能都增大, 而且最大值出现在改性乳液上浆炭纤维的表面。改性乳液上浆单纤维复合材料拥有最大的界面剪切强度(IFSS), 比未改性上浆的高出27.2%; 改性上浆炭纤维与基体的调和平均黏结功(W(h)_a )和几何平均黏结功(W(g)_a )也分别高出未改性上浆的12.7%和11.7%。      

水性上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能的影响

以4,4'-亚甲基双(异氰酸苯酯)(MDI)为扩链剂, 将Triton X-100(TX-100)引入到双酚A二缩水甘油醚(DGEBA) 中, 设计合成水性碳纤维上浆剂(DGEBA-MDI-TX-100), 并利用合成的水性上浆剂对碳纤维表面进行改性。在此基础上, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维/环氧树脂复合材料, 研究了水性上浆剂改性碳纤维对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。结果表明:与未经处理的碳纤维相比, 经过上浆剂改性后的碳纤维润湿性能得到了较大的提高, 与环氧树脂的接触角下降了 9.1%;与环氧树脂复合后制备的复合材料的界面剪切强度提高了64.7%。      

Grafting Low Contents of Branched Polyethylenimine onto Carbon Fibers to Effectively Improve Their Interfacial Shear Strength with an Epoxy Matrix

The mechanical properties of carbon fiber (CF) reinforced composites are greatly dependent on the interfacial strength between the CFs and matrix. To improve the interfacial adhesion of carbon fiber/epoxy composites, branched polyethylenimine (PEI) is grafted onto the CFs treated in a mixed acid at optimized process time. The chemical compositions and bonds of functionalized CFs are characterized by thermal gravimetric analysis, Fourier‐transform infrared, and X‐ray photoelectron spectroscopy. The surface structures and morphologies of various CFs are analyzed by Raman spectroscopy and scanning electron microscopy, respectively. Microbond test is adopted to evaluate the interfacial shear strength (IFSS) between the CFs and epoxy matrix. The results show that the CFs modified by low molecular weight PEI are better than those modified by high molecular weight PEI. The IFSS of PEI modified CFs can reach a maximum of 107.2 ± 14.3 MPa at a low functionalization degree compared with 78.1 ± 11.6 MPa of unmodified CFs. The branched structure and high density of active amine groups on the PEI chains are responsible for the improved interfacial strength.     

Interfacial shearing strength and reinforcing mechanisms of an epoxy composite reinforced using a carbon nanotube/carbon fiber hybrid

The performance of a composite material system depends critically on the interfacial characteristics of the reinforcement and the matrix material. In this study, the interfacial shearing strength (IFSS) of a composite with an epoxy matrix and a novel carbon nanotube/carbon fiber (CNT/CF) multi-scale reinforcement was determined by single fiber-microdroplet tensile test, and the interfacial reinforcing mechanisms of the composite were discussed. Results show that the IFSS of the epoxy composite reinforced by CNT/CF is as high as 106.55 MPa, which is 150% higher than that of the as-received T300 fiber composite. And the main interfacial reinforcing mechanisms of this novel composite could be interpreted as chemical bonding, Van der Waals binding, mechanical interlocking, and surface wetting.     

磷酸处理芳纶纤维的缠绕环氧树脂基体

在用磷酸(PA)溶液处理芳纶纤维的基础上, 系统研究了适用于制备高性能芳纶纤维增强复合材料的缠绕环氧树脂基体, 测试了复合材料的力学性能和热机械性能, 讨论了树脂基体对芳纶纤维增强复合材料界面性能的影响。结果表明: 经过磷酸溶液处理的芳纶纤维表面存在一定量的极性官能团, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性; 经过优化的树脂体系其芳纶纤维增强复合材料的NOL环(Naval Ordnance Laboratory Ring)纤维强度转化率达到95％, 层间剪切强度(ILSS)达到79MPa, 界面剪切强度(IFSS)达到76MPa, 具有较好的界面性能。      

硅溶胶改性碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能影响

以硅烷偶联剂和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体, 以固体酸-对甲苯磺酸为催化剂制备硅溶胶, 利用硅溶胶对碳纤维进行表面改性后, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM、 TEM、 万能试验机、 偏光显微镜等对表面改性前后的碳纤维形态、 力学性能及碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能进行表征, 研究了硅溶胶改性碳纤维对其复合材料界面性能影响。结果表明, 硅溶胶处理碳纤维后, 在碳纤维表面原位生成具有膜-粒结构的表面层, 改性后碳纤维的强度由2.41 GPa提高到3.00 GPa, 界面性能也得到了明显改善, 界面剪切强度(IFSS)提高了51.41%。     

化学处理和吸湿水对剑麻纤维及其与树脂界面性能的影响

使用KMnO₄、NaOH、阻燃剂、硅烷对剑麻纤维进行表面处理。采用单丝拉伸和微脱粘方法分别测试了剑麻纤维的拉伸性能及其与改性丙烯酸酯、环氧树脂的界面性能,考察了吸湿水对剑麻纤维表面形貌、拉伸性能及其与树脂界面粘结的影响,分析了相应的破坏模式。结果表明,经过表面化学处理后剑麻纤维的拉伸强度和模量均有不同程度的下降,其中经KMnO₄和硅烷处理后,纤维拉伸强度下降了44%,经NaOH处理后其拉伸强度降低了27%,阻燃剂处理对剑麻性能的影响不明显。表面化学处理还会降低剑麻纤维与改性丙烯酸酯的界面粘结强度,其下降的幅度与纤维拉伸强度下降程度不一致,阻燃剂处理的剑麻/改性丙烯酸酯的界面强度最低,仅为2.0 MPa,较未处理剑麻纤维复合体系下降了80%。经硅烷处理后,剑麻纤维的吸水率下降,吸水后其拉伸性能保留率高于未处理剑麻纤维。湿态条件下未处理剑麻纤维与环氧树脂的界面强度为6.6 MPa,高于硅烷处理剑麻/环氧树脂的界面强度,其断口形貌表明硅烷处理可导致微纤之间的弱粘结,从而降低了剑麻纤维自身及其与树脂的界面性能。