碳纤维与微纳粒子增强热塑性超疏水复合材料制备与性能研究

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超疏水表面是指与水的接触角大于150°、滚动角小于10°的表面。因其在自清洁、防水防冰、防腐防污等方面具有良好的潜在应用价值,而受到广泛关注。兼具有耐磨性、导电性、超亲油等性能的多功能超疏水表面能进一步拓展其应用领域或满足更为苛刻的使用要求。另外,超疏水材料无论是制备成本还是原材料成本通常都比较高,如何使超疏水材料具有可回收可重复使用性能具有重要意义。本文试图以具有本征超疏水的增强材料与树脂材料构造具有优良耐磨性能、兼具导电性、超亲油特性特别是可回收重复使用特点的新型超疏水材料,具有重要的创新价值和应用价值。本文以具有本征疏水特性的二氧化铈微纳粒子(CeO2)、碳纤维(CF)、聚偏氟乙烯(PVDF)等为原材料,设计和制备了PVDF/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/CeO2超疏水复合涂层以及碳纤维毡/连续碳纤维增强PVDF超疏水纳米复合材料,并深入研究了其超疏水特性、导电性能、亲油性能以及可回收重复使用性能。首先,采用滴涂法在复合材料基板上制备超疏水涂层并测试其疏水性能,找出最优配比。实验表明,稀释剂、CeO2纳米颗粒、混合树脂质量比为60:27.5:12.5,PVDF/PMMA树脂质量比为6:4的涂层得到最大的接触角152.0°。其次,使用短切碳纤维和碳纤维颗粒对涂层的耐磨性能进行优化。结果发现,添加短切碳纤维能较大程度地提高耐磨性能,而不会影响涂层的疏水性能。对于添加碳纤维颗粒的样品,在添加量较低的情况下(小于300mg),碳纤维颗粒对疏水性能影响不大。但是,当添加质量大于300mg后,随着碳纤维颗粒添加量的增加,接触角减小。同样,添加碳纤维颗粒对涂层的耐磨性能有较大提升。基于结构功能一体化构想,本文在CeO2/PMMA/PVDF复合涂层的基础上,使用湿法模压法制备了CF/CeO2/PVDF热塑性纳米复合材料。CeO2纳米质量分数为55%时,有较好的疏水性能(接触角152°,滚动角3°)。但所制备的纳米复合材料并不能实现整体大面积的超疏水,因而又进一步采用两种不同方法进行改进。首先,使用硬脂酸对CeO2纳米颗粒表面改性。结果表明,纳米复合材料的整体疏水性能得到提升。且在改性颗粒的基础上,随着树脂含量的增加,纳米复合材料的力学性能得到提升,但疏水性能有一定的下降。其次,在纳米复合材料中添加碳黑(CB),制备出CB/CF/PVDF/CeO2纳米复合材料。结果发现,加入碳黑后,疏水性能、导电性能和耐磨性能都得到一定的提高,且试样具有超亲油性能。但是,CB的添加会使层间强度降低,从而使力学性能有所下降。最后,在超疏水材料回收再利用构想下,以连续碳纤维/碳纤维毡增强CB/PVDF/CeO2纳米复合材料废弃物为原材料,探索出三种不同的方法来制备出具有超疏水表面的热塑性复合材料,充分体现其可重复利用的性能。
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