热解法回收T300J碳纤维强度保留率影响因素研究

以T300J碳纤维为增强体，E44环氧树脂为基体，三乙烯四胺为固化剂，制得T300J/E44碳纤维复合材料，并采用高温热解法回收T300J/E44复合材料中的T300J碳纤维，探索了不同的热解温度、热解保温时间、热解气氛，以及复合材料的损伤程度对回收的碳纤维的力学性能的影响。结果表明：在氮气保护(50 mL/min),热解温度为450℃,热解保温时间为30 min的高温解热工艺条件下，回收的碳纤维的表面良好，强度保留率可以达到96%;T300J/E44复合材料经预拉伸处理，纤维未拉断时，再热解回收获得的碳纤维的强度保留率仍可达到89%。     

压力法回收废旧碳纤维/环氧树脂复合材料

采用醋酸水溶液对碳纤维/环氧树脂复合材料进行初步处理,然后以过氧化氢水溶液和丙酮混合溶液再次处理得到可分离的碳纤维和降解液。采用扫描电镜、热重分析、力学性能测试,红外及气相色谱-质谱联用分析研究了压力法降解废旧碳纤维/环氧树脂复合材料的反应条件和机理。结果表明,环氧树脂分解的主要机理为酯键断裂,以体积分数70%的醋酸水溶液180℃下浸泡2 h,再用过氧化氢和丙酮混合溶液在120℃,1.2 MPa下加热2 h,碳纤维/环氧树脂的降解效率高,回收的碳纤维表面没有明显缺陷并仍具有良好的力学性能。     

聚乙二醇/氯化锌条件下回收CFRP方法研究

以真空辅助成型工艺(VARI)制作的碳纤维增强复合材料(CFRP)平板件为降解试件,使用乙酸对其进行分层预处理,然后以聚乙二醇为溶剂,氯化锌为催化剂,采用控制变量法在不同的反应温度、反应时间,氯化锌浓度等工艺参数下对CFRP进行降解回收。利用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、动态接触角测量仪、纤维强度仪对回收碳纤维的表面形貌和元素、浸润性以及力学性能进行表征分析。结果表明,CFRP降解的理想工艺条件为:用乙酸于120℃下分层预处理30 min,然后在190℃下,使用浓度为0.6 mol/L氯化锌/聚乙二醇环境反应60 min。使用该方法回收的CFRP,树脂降解率能达到98%以上,碳纤维表面干净光滑无树脂残留,表面元素与原丝相比变化较小,碳纤维和水与乙二醇的浸润性相比原丝得到改善,碳纤维的弹性模量达到原丝的98%以上,拉伸强度达到原丝的97%以上。     

纤维缠绕成型碳纤维/环氧复合材料人工海水老化行为研究

碳纤维/环氧树脂复合材料具有轻质高强、耐化学介质等特点,加之纤维缠绕成型工艺可设计性强、可充分发挥碳纤维高比强和高比模的特性,碳纤维/环氧树脂复合材料广泛应用于海洋工程领域,如无人水下潜航器、耐压壳体等典型产品。本文使用人工海水作为老化介质,研究了碳纤维/环氧树脂复合材料在25℃、2～6MPa压力环境下的老化行为。结果表明,试验条件下,不同压力的复合材料吸湿行为基本符合Fick第二定律。压力对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能影响较小,试样拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度最低保留率依次为90%、88%、88%和92%,表明所制备的复合材料能够满足深海环境下的承载要求。傅里叶变化红外光谱(FT-IR)结果表明,试验条件下环氧树脂主链结构相对稳定,没有发生明显的降解。动态热机械分析(DMA)结果表明,试样的玻璃化转变温度(Tg)和损耗因子峰值(tanδ_max)随着老化时间的延长而降低。     

氨气处理碳纤维 第II报 碳纤维表面和复合材料的性能

常压下,使碳纤维通过以氨气为气体介质的600℃热反应炉,反应停留时间为30s。采用三点短梁法和界面评价装置研究处理前后复合材料的层间剪切强度(ILSS)和界面剪切强度(IFSS),经氨气处理后二者分别提高了13.2%和32.1%。接触角测试结果表明:处理后碳纤维与水和环氧树脂的浸润性得到很大改善。采用扫描电子显微镜(SEM)研究处理前后碳纤维表面和复合材料断裂面形貌的变化,发现氨气处理对碳纤维表面形貌没有影响。力学性能测试数据表明,氨气处理不影响碳纤维的强度。     

混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯湿热老化性能研究

高温高湿条件下对玻璃纤维/碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料电缆芯进行加速湿热老化试验,比较了两种直径的复合材料电缆芯在相同老化条件下的力学性能,并从微观角度分析了湿热老化后力学性能下降的原因。结果表明,该复合材料电缆芯耐湿热老化性能较好,在80℃及RH95%下老化1750h后其弯曲强度保留率大于65%,层间剪切强度保留率大于58%。     

臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究

采用臭氧氧化的方法对碳纤维进行表面改性,并用作热塑性聚酰亚胺树脂的增强体。采用单丝拉伸试验、XPS研究臭氧处理时间对碳纤维单丝拉伸强度和表面官能团的影响。结果表明,臭氧处理时间越长,碳纤维力学性能的下降程度越大,而表面含氧官能团含量越多。优选单丝拉伸强度保留率较高、含氧官能团含量较丰富的碳纤维与热塑性聚酰亚胺制成复合材料,并评价其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,臭氧处理5 min就可使碳纤维/聚酰亚胺复合材料的ILSS提升43%,说明臭氧处理可显著提升碳纤维/热塑性聚酰亚胺的界面性能。     

快速固化环氧树脂/碳纤维复合材料的性能

利用差示扫描量热分析仪研究了一种快速固化环氧树脂体系的固化工艺参数,确定了以真空辅助树脂灌注工艺制备快速固化环氧树脂/碳纤维复合材料的成型方法,并与常规固化环氧树脂体系制备的碳纤维复合材料进行对比,采用傅里叶变换红外光谱仪对两种材料的树脂基体进行了分析,考察了两种复合材料的纤维含量、孔隙率及力学性能,最后通过扫描电子显微镜观察了快速固化树脂基体与碳纤维的界面结合性。结果表明,快速固化树脂在99℃下固化6 min后固化度可达96%,能够大幅缩减碳纤维复合材料的成型时间,以其制备的碳纤维复合材料拉伸强度比常规固化环氧树脂复合材料高11.20%,弯曲强度高16.92%,纵横剪切强度高7.44%,快速固化树脂与碳纤维界面结合性良好。     

环氧复合材料压力法降解及其纤维的回收利用

研究了压力法组合溶剂法一步降解环氧碳纤维复合材料的工艺,测试了降解产物成分与特性并探索了回收碳纤维再利用的可能性。利用红外光谱分析确定了其断键形式主要为醚键断裂,利用气相色谱-质谱联用分析确定了降解产物主要是丙烷和2-戊酮。利用扫描电子显微镜(SEM)表征了纤维表面树脂粘附少,再制备复合材料的界面结合良好。纤维力学性能测试确定了所回收的碳纤维仍具有良好的力学性能。复合材料力学性能测试确定了其性能损失小。研究表明,使用该方法降解效率高,回收纤维单丝拉伸强度保留率高,具有很好的运用前景。     

碳纤维表面处理对液体成型碳纤维增强MC尼龙复合材料力学性能的影响

本论文采用真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI),通过己内酰胺原位阴离子聚合的方法制备了连续碳纤维增强浇铸(MC)尼龙的复合材料,并系统研究了丙酮去浆处理、气相氧化处理、偶联剂处理和火焰处理四种不同碳纤维织物表面处理方式的碳纤维表面的O/C比和微观形貌以及复合材料的力学性能、表面形貌和碳纤维体积分数。结果表明:对碳纤维表面进行偶联剂涂层处理,此碳纤维制备的复合材料的力学性能较其他处理方式的碳纤维制备的复合材料而言力学性能最优,其拉伸强度达到595.5 MPa,弯曲强度达到330.7 MPa,层间剪切强度达到30.6 MPa;此条件下碳纤维表面的O/C比达到44.51%,复合材料的碳纤维体积分数达到51.4%。     

碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸性能研究

研究了碳纤维进行氧化处理、铺层形式,以及紫外光照射和不同溶液介质浸泡处理等,对碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸性能的影响。结果表明:碳纤维最佳氧化工艺为浓硝酸氧化1 h,空气氧化温度250℃,空气氧化30 min。碳纤维最佳铺层设计为[0°,0°,45°]2s。随紫外光照射时间增加,复合材料拉伸强度呈先增后降趋势,120 h时达最大值。溶液介质浸泡会降低复合材料的拉伸强度。温度相同溶液介质不同时,复合材料在NaOH溶液中拉伸强度降低程度最大,温度提高会加速复合材料失效老化。     

酸化石墨烯改性环氧树脂及其碳纤维复合材料力学性能研究

针对石墨烯在复合材料增强增韧上的应用,对石墨烯进行了酸化处理,采用超声分散方法制备酸化石墨烯/环氧树脂(EP)浇注体,并在此基础上制备了酸化石墨烯/碳纤维(CF)/环氧树脂(EP)复合材料。分别利用红外光谱和透射电镜表征了酸化石墨烯表面结构和微观形貌,利用拉伸、弯曲、冲击等机械测试手段评价了酸化石墨烯改性EP和CF-EP的力学性能,并利用扫描电镜对复合材料拉伸断面形貌进行观察。试验结果表明:石墨烯酸化处理后,成功在表面引入了羟基、羧基等极性基团;酸化石墨烯可对EP和CF/EP进行有效增强增韧,当其添加量为0.2wt%时,EP拉伸强度和冲击强度分别提高了23.3%和109.8%,CF/EP拉伸强度、弯曲强度分别提高了6.0%和10.6%,当酸化石墨烯添加量为0.5wt%时,CF/EP复合材料层间剪切强度提高了7.4%。微观形貌分析表明,酸化石墨烯对CF/EP增强改性主要是通过对EP进行增强增韧,同时提高CF和EP之间的界面性能来实现的。     

Influence of oxygen plasma treatment parameters on the properties of carbon fiber

This study is focused on the impact of oxygen plasma treatment on properties of carbon fibers and interfacial adhesion behavior between the carbon fibers and epoxy resin. The influences of the main parameters of plasma treatment process, including duration, power, and flow rate of oxygen gas were studied in detail using interlaminar shear strength (ILSS) of carbon fiber composites. The ILSS of composites made of carbon fibers treated by oxygen plasma for 1 min, at power of 125 W, and oxygen flow rate of 100 sccm presented a maximum increase of 28% compared to composites made of untreated carbon fibers. Furthermore, carbon fibers were characterized by scanning electron microscopy (SEM), tensile strength test, attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR), and Raman spectroscopy analyses. It was found that the concentration of reactive functional groups on the fiber surface was increased after the plasma modification, as well the surface roughness, which finally improved the interfacial adhesion between carbon fibers and epoxy resin. However, high power and long exposure times could partly damage the surface of carbon fibers and decrease the tensile strength of filaments and ILSS of treated fiber composites.     

RTM用双马来酰亚胺树脂及其复合材料的制备与性能研究

采用一种含醚键双马单体对双马来酰亚胺树脂进行改性,制备了一种适用于复合材料树脂转移模塑成型工艺(RTM)的高韧性双马来酰亚胺树脂基体,并研究了其流变特性、耐热性能、力学性能及其复合材料的力学性能。树脂体系的流变性能数据表明树脂在注射温度(100℃)下具有较长的适用期(~3 h),能够满足RTM成型的要求。树脂浇注体的拉伸强度为115 MPa,断裂延伸率为3.1%,弯曲强度为159 MPa,玻璃化转变温度为270℃,表明树脂具有较高的韧性和耐温等级。以本树脂体系作为基体制备得到的碳纤维增强复合材料具有较高的力学性能,同时在230℃下具有较高的力学性能保持率。     

一种回转体类构件用中低温固化环氧树脂体系研究

采用等温黏度实验和浇铸体力学性能测试来优选自制改性固化剂CUR–1的配比,通过不同升温速率下的固化过程差示扫描量热并对固化物进行傅立叶变换红外光谱分析,确定了体系的固化制度,研制出一种适用于发动机壳体或结构复杂的回转体类结构件的碳纤维湿法缠绕树脂基复合材料的中低温固化环氧树脂体系,用湿法缠绕工艺制作单向纤维缠绕成型复合材料环(NOL环)并进行了性能测试。结果表明:当CUR–1的含量为15份时,树脂体系具有适于湿法缠绕工艺的黏度和使用期,树脂可在80℃完全固化,同时浇铸体拉伸强度为84 MPa,拉伸弹性模量为3.8 GPa,断裂伸长率为5.4%,热变形温度为131℃。该树脂体系与纤维粘结性好,NOL环力学性能高,NOL环拉伸强度为2 451 MPa,拉伸弹性模量为146 GPa,层剪切强度为55 MPa。     

碳纳米管定向排列增强碳纤维/环氧树脂复合材料制备及力学性能

采用高频电场诱导法制备了碳纳米管定向有序填充的碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了电场频率对复合材料力学性能的影响规律,对复合材料的显微形貌进行观察。结果表明:在富树脂区碳纳米管沿着电场方向存在明显的有序排列现象;高频电场诱导后复合材料的层间剪切强度最大提高28.9%,压缩强度提高28.83%,弯曲强度提升15.01%,断口粗糙度增加,树脂与碳纤维的界面结合状态改善。     

Mechanical properties of sisal natural fiber composites according to strain rate and absorption ratio

The effects of strain rate and water absorption properties can be used to evaluate the environmental degradation of sisal fiber reinforced polymer–matrix composites. Composites of vinylester and epoxy resin, reinforced by sisal fiber, were manufactured using the RTM method. To examine how the mechanical properties change with different surface treatments of a fiber, three fibrous composites with nontreated, permanganate, and silane treatments were compared in this experiment. Material fracture occurred as the brittleness hardened due to an increase in strain rate. The tensile strength was the largest in the permanganate‐treated epoxy composites, while the untreated vinylester had high elongation and fracture energy. The highest tensile strength value occurred at a 30% absorption ratio. POLYM. COMPOS., © 2011 Society of Plastics Engineers.     

碳纤维-环氧树脂复合材料的制备及力学性能表征

用低温等离子体技术对碳纤维针织物进行处理,将E-44环氧树脂基体与碳纤维织物进行复合,在温度为40℃、模压压力1.5 MPa条件下,采用模压成型法,加热1 h,保温2 h后,制备出碳纤维复合材料。测试了复合材料的拉伸性能、弯曲性能及压缩性能,得出经过等离子体处理后,碳纤维复合材料的纵向拉伸强度比改性处理前提高了31.12%,横向拉伸强度提高了40.61%;纵向弯曲强度提高了26.42%,横向弯曲强度提高了23.41%;纵向抗压强度提高了40.41%,横向抗压强度提高了29.74%。等离子体处理有利于碳纤维与树脂的结合,使得制备出的碳纤维复合材料的力学性能得到提高。     

Enhancing hygrothermal resistance of aeronautical carbon fabric/epoxy composites via air plasma processing

Air plasma processing is introduced as a surface modification technique for carbon fibers to enhance the hygrothermal resistance of carbon fabric/epoxy composites. On carbon fiber surface subjected to 4-min plasma processing, there are 37.6% of carbon species present as –C–O–C groups and 9.3% of carbon species as –COOH groups. The moisture adsorption behavior of composites can be described by Fick’s law. Increase in temperature accelerates the initial moisture adsorption rate and results in a higher diffusion coefficient. The decreasing interlaminar shear strength (ILSS) of composites is mainly ascribed to the loss of adhesion at the fiber/matrix interface. A lower equilibrium moisture content of composites is caused by air plasma processing, which leads to the improved interfacial bonding strength and the higher retention rate of ILSS of carbon fabric/epoxy composites. The interface sensitivity and temperature dependence of moisture adsorption for carbon fabric/epoxy composites are discussed. The results presented herein demonstrate an effective strategy for enhancing hygrothermal resistance of carbon fiber-reinforced composites.