碳纤维表面改性对CF/PPS复合材料界面及力学性能影响

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rafezyp
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碳纤维(CF)增强热塑性树脂基复合材料(CFTP)因其轻质高强、环保、优异抗冲击性能等特性,有望取代热固性树脂基复合材料,在航天航空、汽车等领域高性能结构件中发挥重要作用。因聚苯硫醚(PPS)价格低廉、性能优异,CF/PPS除了在军用方面得到了发展,在汽车、电子等民用领域也引起了极大的关注。PPS成型温度高,CF表面原有环氧类施胶剂降解温度低,从而会在加工过程中会出现降解,导致界面粘附力下降。CF和PPS都呈惰性,难以发生化学键接,CF与PPS的界面浸润黏附效果会比较差。因此,需要对CF进行表面改性。上浆剂法可以在不损伤CF自身力学性能基础上,改善CF与基体的界面润湿性,成为CF表面改性的一个合适的方法。CF/PPS复合材料关于上浆方法研究较少,且PPS链上基团少,制备基体衍生物复杂,因此将主要从热塑性树脂常用上浆剂中选择合适上浆剂。首先,通过分子动力学模拟进行PA6、PEI、PU与基体PPS相容性,以及其与CF表面的相互作用计算,从而对常用上浆剂进行评估,确定最合适上浆剂为PEI。以分子力学为基础,使用Materials Studio建立含有PEI和MWCNT的上浆剂体系并预测力学性能,包括纯PEI、二者共混的PEI-MWCNT。其次,利用不同浓度的PEI上浆剂改性CF,发现随上浆剂浓度增大,改性CF表面活性逐渐提高,表面粗糙度增大,单丝拉伸强度小幅度提升,表面润湿性改善。通过一系列表征说明PEI上浆剂最佳浓度为0.01g/m L;在最佳浓度的PEI上浆剂中,加入不同含量的MWCNT,制备PEI和MWCNT共混的PEIMWCNT上浆剂,对上浆后CF进行一系列表征可知,PEI-MWCNT上浆后,对CF单丝强度和润湿性能进一步提升。当浓度为0.5wt%时,综合性能较好。最后,讨论成型温度和保压时间对CF/PPS力学性能的影响,从而确定最佳工艺参数为330℃、30min。在最佳工艺下,制备不同浓度PEI上浆CF/PPS复合材料,通过力学性能可得出PEI最佳浓度为0.01g/m L,此时它的层间剪切强度和弯曲强度达到了33.2 MPa和524.11 MPa,与CF/PPS复合材料相比,分别提高了4%和14.54%。PEI-MWCNT最佳上浆剂浓度为0.5wt%时,此时层间剪切强度和弯曲强度为39.59 MPa和561.8 MPa,与CF/PPS复合材料相比,分别提高了20.4%和23.36%,与PEI上浆CF/PPS相比,分别提升了19%和7.2%。
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