改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究

环氧树脂(EP)热膨胀系数(CTE)为65×10~(-6)℃~(-1),碳纤维(CF)CTE为-12×10~(-6)℃~(-1),因此降低EP的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料低温使用性能的关键。采用氧化石墨烯(GO)和四氧化三铁改性氧化石墨烯(Fe_3O_4-GO)修饰EP,研究了GO及Fe_3O_4-GO对EP基体CTE的影响。结果表明:由于Fe_3O_4-GO表面的官能团可与EP基体形成共价键,从而加强了与EP基体的界面作用;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP的玻璃化转变温度(Tg)分别升高了3.71℃和5.74℃;相对于纯EP,GO和Fe_3O_4-GO改性EP在Tg下的CTE值分别降低了23.77%和33.61%,但在Tg上的CTE值均高于纯EP。     

多壁碳纳米管改性氰酸酯/环氧树脂基纳米复合材料的力学性能

用强酸氧化法与等离子体镀膜法分别对原始多壁碳纳米管(MWCNTs)进行表面修饰,制备了MWCNTs改性氰酸酯/环氧树脂基纳米复合材料。对复合材料的断裂面进行SEM分析,研究了表面处理方法对复合材料室温及低温力学性能的影响。结果表明,经等离子体镀膜表面修饰后的MWCNT在基体中分散更为均匀,与基体的界面结合力更强。经等离子体镀膜表面改性后的MWCNTs复合材料,当MWCNTs质量分数为0.3%时,其室温及低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度较纯氰酸酯/环氧树脂基体均有不同程度的提高。     

热塑性塑料对环氧树脂热膨胀系数的影响研究

环氧树脂基体的热膨胀系数(CTE)对碳纤维增强环氧树脂层状材料的性能影响巨大,如何降低环氧树脂基体的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂复合材料低温使用性能的关键。本研究采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亚胺(PEI)3种热塑性塑料改性环氧树脂,研究了这3种热塑性塑料对环氧树脂基体CTE的影响。结果表明:这3种热塑性塑料分子链中的羰基在环氧树脂固化过程中可与环氧分子侧链上的羟基形成氢键作用,从而加强了热塑性塑料与环氧树脂的界面作用;采用这3种热塑性塑料改性环氧树脂均可提高环氧树脂基体的玻璃化转变温度;相对于纯环氧树脂,PBT、PEI和PC改性的环氧树脂在玻璃化转变温度下的CTE分别降低了14.99%、17.44%和23.96%,但在玻璃化转变温度上的CTE均高于纯环氧树脂。     

碳纳米管有序排列对碳纤维增强环氧树脂基复合材料低温性能的影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料在低温(77K)循环条件下的抗微裂纹性能,采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的Fe_3O_4修饰氧化碳纳米管(Fe_3O_4-O—MWCNTs),并研究了Fe_3O_4-O—MWCNTs在环氧树脂(EP)基体中的有序排列对EP及CF/EP复合材料低温性能的影响。结果表明:Fe_3O_4-O—MWCNTs的有序排列可有效提高EP基体的低温力学性能及降低EP基体的热膨胀系数,相对于纯EP,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性EP的热膨胀系数降低了41.6%;相对于CF/EP复合材料,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性CF/EP复合材料在低温环境下的微裂纹密度降低了56.2%。     

氧化石墨烯有序排列对碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂复合材料在低温(77 K)循环条件下的微裂纹抗性,文中采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的四氧化三铁/氧化石墨烯(Fe_3O_4/GO),采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段研究了Fe_3O_4/GO在环氧树脂基体中的有序排列对环氧树脂及碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能的影响。结果表明,Fe_3O_4/GO的有序排列可有效提高环氧树脂基体的低温力学性能及降低环氧树脂基体的热膨胀系数,并可明显改善碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料的低温微裂纹抗性;相对于纯环氧树脂,改性环氧树脂的热膨胀系数和低温环境下的微裂纹密度分别降低了36.5%和37.5%。     

碳纳米管/碳纤维环氧树脂复合材料的制备及力学性能

对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性处理,得到表面接枝1,3,5-苯三甲酸的碳纳米管(B-MWCNTs)。分别将MWCNTs和B-MWCNTs分散在环氧树脂基体及上浆剂中,通过缠绕成型法制备含有MWCNTs的碳纤维增强环氧树脂预浸料,并采用热压成型工艺制备MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板。结果表明,B-MWCNTs在环氧树脂基体和上浆剂中的分散状态明显优于MWCNTs。添加B-MWCNTs后复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和失重5%时对应的温度均有所提高。而且,添加B-MWCNTs可以明显提高碳纤维环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs含量为0.5%(质量分数)时,B-MWCNTs/碳纤维环氧树脂复合材料层合板的压缩强度、层间剪切强度和冲击后压缩强度(CAI)分别提高了14.3%,37.1%和23.4%。     

碳纳米管表面改性对碳纳米管/尼龙66复合材料机械性能影响的研究

采用熔融共混法,在尼龙66基体中分别加入不同改性的多壁碳纳米管(MWCNTs)制备MWCNTs/尼龙66复合材料。考察MWCNTs改性方法对MWCNTs结构,以及不同改性MWCNTs对复合材料形貌和机械性能的影响。研究发现:通过酸化-氨化过程,在MWCNTs表面引入了酰胺基团;FESEM显示,胺化碳纳米管(D-MWCNTs)分散均匀于尼龙66基体中;随着D-MWCNTs的引入,与纯尼龙66相比,D-MWCNTs/尼龙66复合材料的拉伸强度和拉伸模量分别增加了12.7%和24.3%;储能模量,在玻璃化区域(-40℃)和橡胶区域(120℃),分别较纯尼龙66提高了133.1%和73.3%。这些研究结果证明,MWCNTs的均匀分散,有利于提高聚合物复合材料的机械性能。     

石墨烯-多壁碳纳米管协同增强环氧树脂复合材料的低温力学性能

为了提高环氧树脂的低温力学性能,采用石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNTs)协同改性环氧树脂,系统研究了石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料的室温(RT)和低温(77K)力学性能。结果表明:当石墨烯的质量分数为0.1wt%,MWCNTs的质量分数为0.5wt%时,纳米填料的加入可同时改善环氧树脂的低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度;在此最佳含量下,石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料在RT和77K时的拉伸强度皆达到最大值,比纯环氧树脂的拉伸强度分别提高了11.04%和43.78%。石墨烯和MWCNTs能协同提高环氧树脂的低温力学性能。     

CaCO_3/Al_2O_3/MWCNTs环氧复合涂层性能研究

利用KH560对碳酸钙(CaCO_3)、氧化铝(Al_2O_3)、酸化后的多壁碳纳米管(MWCNTs)表面进行接枝改性,并制备了CaCO_3/Al_2O_3/MWCNTs/环氧树脂(EP)复合涂层。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重分析仪(TG)和EDS分析对改性前后的无机填料进行表征,使用电化学阻抗谱(EIS)、抗冲击试验、高温高压实验测试复合涂层的附着力、耐腐蚀等性能。同时用扫描电子显微镜(SEM)观察复合涂层表面形貌。结果表明,KH560成功的接枝在3种无机填料表面,当MWCNTs的质量分数为2%时,CaCO_3/Al_2O_3/MWCNTs/EP复合涂层的分散性最好,性能最优。     

多壁碳纳米管/聚丙烯复合材料的结晶行为

采用表面接枝十六烷烃的方法对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行改性, 通过溶液共混法制备多壁碳纳米管/聚丙烯(MWCNTs/PP)复合材料, 并研究了MWCNTs/PP的结晶行为。结果表明, 3%(质量分数)表面接枝十六烷烃的MWCNTs在PP基体中分散良好, 达到纳米级的分散。加入接枝MWCNTs后, PP的结晶结构未发生改变, 依然是α晶型。接枝MWCNTs对PP有异相成核的作用, 加入接枝MWCNTs使PP的成核及晶体生长方式发生变化。加入3%(质量分数)接枝MWCNTs 以后, PP的结晶温度升高了8℃, 结晶速率提高了1倍, 结晶度提高了3%, 球晶尺寸减小。     

多壁碳纳米管的表面功能化及分散性研究

多壁碳纳米管(MWCNTs)分别经混合、强酸氧化浸泡和酰氯化处理后,再与9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)的衍生物(DHDOPO)进行接枝反应得到表面功能化的MWCNTs。利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、紫外-可见分光光度仪(UV-Vis)和沉降实验等分别表征改性前后MWCNTs的结构和表面形态,估算DHDOPO在MWCNTs表面的相对接枝率,研究改性前后MWCNTs在乙醇中的分散性。结果表明,MWCNTs经混合强酸氧化后表面出现羧基;DHDOPO在MWCNTs上的相对接枝率为51%;混合强酸氧化和表面接枝DHDOPO的MWCNTs在无水乙醇中具有良好的分散性。     

改性碳纳米管处理碳纤维的效果表征

采用浓硫酸/浓硝酸氧化处理多壁碳纳米管(MWCNTs),再将氧化后的碳纳米管与硅烷偶联剂(KH560)进行接枝,制备了硅烷偶联剂表面化学修饰的MWCNTs。在此基础上,将改性前后的碳纳米管分散在环氧树脂体系中,涂覆处理碳纤维。研究处理前后碳纤维力学性能和界面性能的变化。通过红外光谱(FTIR)和透射电镜(TEM)分析,表明KH560已成功接枝到多壁碳纳米管上;通过分散性实验证明了改性后的碳纳米管分散性提高;对处理后的碳纤维进行力学性能测试,并用扫描电镜(SEM)观察分析断面形态变化,结果表明,当碳纳米管的含量为0.5%时,改性碳纳米管处理的碳纤维拉伸强度和拉伸模量分别提高23.83%和7.11%,界面性能增强。     

可膨胀石墨对环氧树脂的阻燃改性

本文利用环氧树脂E-51和固化剂聚醚胺WHR-H023(质量比为3∶1)制成树脂基体。采用H_2SO_4和HNO_3对颗粒尺寸为80目的可膨胀石墨进行表面酸化处理,制备亲水性酸化可膨胀石墨;并将酸化处理的可膨胀石墨及未经酸化处理的可膨胀石墨分别对上述树脂基体进行阻燃改性,石墨添加量为5%、10%和15%。借助红外光谱分析仪检测酸化处理的可膨胀石墨表面羧基、羟基等官能团的接枝情况;利用极限氧指数分析仪和万能材料试验机分别测试改性树脂基体材料的极限氧指数(LOI)及拉伸性能;采用扫描电子显微镜(SEM)观察改性树脂基体材料的断面。研究结果表明,酸化可膨胀石墨比未经酸化处理的可膨胀石墨对环氧树脂基体的阻燃效果更佳,且拉伸性能下降更少。     

环氧基团修饰多壁碳纳米管及其化学交联聚氨酯复合材料的性能

碳纳米管在高分子材料中的分散性能及其二者的界面结合力决定了其复合材料的性能。用H_2O_2-FeSO_4试剂处理多壁碳纳米管(MWCNTs)使其羟基化,再与硅烷偶联剂反应分别制备了缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷改性的MWCNTs(MWCNTs-KH560)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷-环氧树脂改性MWCNTs(MWCNTs-E51),并和含羧基的聚氨酯(PU)混合制备了MWCNTs/PU复合材料,研究了不同链段环氧基团对复合材料性能的影响。结果表明,接枝环氧基团后,MWCNTs能明显地提高其复合材料的力学性能、热稳定性能和导电率。和MWCNTs-E51相比,MWCNTs-KH560/PU具有较高的上述性能,但断裂伸长率较低。分析认为,接枝的环氧基团可和PU链上的羧基发生开环反应而形成了化学交联结构,显著地提高了MWCNTs和PU之间的界面结合力。但MWCNTs-E51接枝的较长有机链段起增塑作用,且提高了MWCNTs之间的隧道电阻,从而降低了复合材料的力学性能和导电性能。     

CNTs的表面改性及其在环氧树脂复合材料中的应用

首先采用浓硫酸/浓硝酸对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行混酸氧化处理,再将氧化后的CNTs与DOPO改性后的硅烷偶联剂(DOPO-KH560)进行改性,制备了DOPO-KH560表面化学修饰的MWC-NTs。在此基础上,将改性前后的CNTs分散在环氧树脂体系中,制成样条,研究了处理前后样条力学性能的变化。材料表面结构的红外光谱(FT-IR)分析表明,CNTs混酸氧化成功,表面成功引入了羟基和羧基,而且DOPO-KH560成功接枝到酸化CNTs上。材料微结构的透射电子显微镜(TEM)观察表明,酸化后MWCNTs被截短,分散性变好,接枝DOPO-KH560后CNTs表面包覆了一层低聚物。对处理后的样条进行力学性能测试并用扫描电镜(SEM)分析观察断面形态的变化。结果表明,环氧树脂中加入CNTs,能有效地增加环氧树脂的韧性和强度,且加入原CNTs、氧化CNTs、改性后的CNTs时增强增韧效果逐渐增加,加入最终CNTs后环氧树脂的增强增韧效果最明显。     

静电植绒法处理多壁碳纳米管改性玻纤织物/环氧树脂复合材料的制备及力学性能

为提高玻纤增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用静电植绒法将多壁碳纳米管(MWCNTs)附着在玻纤织物表面,得到改性的玻纤织物。利用一种低黏度的环氧树脂和所制得的改性织物,采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了MWCNTs改性格玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板,表征了层合板的力学性能。对进行力学实验后的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料试样断口进行了SEM和OPM观察。结果显示:与未添加MWCNTs的玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板相比,添加了MWCNTs的层合板的拉伸强度降低了10.24%,弯曲强度降低了13.90%,压缩强度降低了17.33%,拉伸模量和弯曲模量分别提高了19.38%和16.04%,压缩模量提高了13%;MWCNTs与玻纤织物之间的结合较弱,在拉伸作用下,存在明显的脱粘和分层;将改性玻纤织物在200℃下热压处理2h后,制备的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板的力学性能均有所提高,热压处理后树脂与玻纤织物之间的界面结合得到改善。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

改性纳米Si_3N_4/环氧树脂复合材料的摩擦磨损特性

研究纳米氮化硅粒子(Si3N4)填充环氧树脂复合材料的滑动干摩擦磨损特性,着重探讨纳米粒子表面接枝共聚改性、粒子含量对复合材料摩擦磨损性能的影响。通过对复合材料磨损表面的粗糙度及形貌分析探讨复合材料的磨损机理。结果表明,纳米氮化硅粒子能在很低的含量下(0.18%(体积分数,下同))显著提高环氧树脂的耐磨性、并降低其摩擦系数,而经过接枝共聚改性的纳米Si3N4粒子填充的复合材料的上述性能改善更为明显,耐磨性比Si3N4/EP提高3倍,摩擦系数降低20%。这说明,在Si3N4纳米粒子表面进行接枝共聚后,有利于加强粒子与基体的界面结合,从而改善复合材料的摩擦学性能。     

氧化石墨烯改性环氧树脂的制备及性能研究

以环氧树脂、二乙醇胺为原料制备阳离子型环氧乳液,然后与氧化石墨烯充分混合形成共混分散液,加热固化得氧化石墨烯改性环氧树脂(GO/EP)涂层。其表面官能团结构、表面形貌分别通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)和扫描显微镜(SEM)进行表征,湿润性、热稳定性、力学性能分别通过接触角测试仪、热失重仪(TGA)和微机电子万能试验机进行测试。结果表明,氧化石墨烯加入环氧树脂基体中后涂层材料的力学性能较纯环氧树脂明显提高,其拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量最大提高率分别为69.2%,62.8%和22.8%。     

环氧化合物上浆处理的MWCNTs对MWCNTs/环氧树脂复合材料性能的影响

利用氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2)与环氧化合物苄基缩水甘油醚(EP 692)和十二-十四烷基缩水甘油醚(EP AGE)反应,通过球磨工艺制备了两种不同分子结构环氧化合物上浆处理的多壁碳纳米管(MWCNTs)MWCNTs-692和MWCNTs-AGE。将均为1wt%的MWCNTs-NH2,MWCNTs-692和MWCNTs-AGE分别添加到二氨基二苯甲烷(DDM)固化双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)环氧树脂体系中,分析了三种MWCNTs对树脂体系黏温关系、固化动力学、热力学性能和弯曲性能的影响。FT-IR,TGA和XPS测试表明,EP 692和EP AGE通过共价键接枝到碳纳米管的表面。与MWCNTs-NH2相比,MWCNTs-692和MWCNTs-AGE可以有效提高碳纳米管在环氧树脂基体中的分散性和相容性,减少纳米粒子对树脂体系黏度和固化动力学的影响。此外,添加上述三种碳纳米管都可以改善纯环氧树脂体系的储能模量和弯曲性能,其中经过含有刚性分子结构上浆剂处理的MWCNTs-692增强效果最为显著。添加1wt%MWCNTs-692后,MWCNTs-692/环氧树脂复合材料的常温储能模量提高了30.6%,弯曲强度和模量分别提高了18.8%和22.5%。