尼龙6用碳纤维上浆剂的制备与应用

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碳纤维增强尼龙6(CF/PA6)复合材料具有相对密度小、比强度大、比模量高等特点,在航空航天、交通运输、防腐设备、体育器材等领域得到广泛应用。但CF表面光滑且呈化学惰性,导致CF/PA6复合材料界面粘接性能差而限制其应用范围。因此,通过在纤维表面涂覆含活性官能团的上浆剂,增强CF与PA6的界面强度,提高CF/PA6复合材料的力学性能。本文通过三乙烯四胺(TETA)、双酚A二缩水甘油醚(BADGE)、丁基缩水甘油醚(BGE)等合成两端亲水、中间亲油的环氧树脂乳化剂,研究乳化剂的最佳合成工艺。制备乳化剂与环氧树脂复配的上浆剂,探讨上浆剂对CF以及CF/PA6复合材料性能的影响,并阐述其作用机理,主要结论如下:(1)环氧转换率可衡量乳化剂合成的反应程度。在反应温度T=50℃、TETA浓度CTETA=1.5mol/L、BADGE浓度CBADGE=2.5mol/L、反应物摩尔比m TETA:m BADGE=1.5:1时,环氧转换率达到最大52.5%,为乳化剂最佳合成工艺条件;通过机械稳定性和粒径分布测试表明:乳化剂与E-44、M-4101H和MF-3102L制备的上浆剂的最佳质量比为S1(1.5:1)、S2(3.5:1)和S3(3.0:1),平均粒径分别为0.360μm、0.272μm和0.264μm,符合上浆剂粒径介于0.2-0.5μm的标准。热重分析(TG)测试表明制备的上浆剂S1、S2和S3的初始分解温度均大于300℃,具备良好的热稳定性。(2)利用丙酮乙醇溶液洗涤上浆剂改性纤维得到的S1CF、S2CF、S3CF,质量损失率较小,分别为1.45%、6.70%、1.64%;扫描电镜(SEM)观察S1CF、S2CF、S3CF表面形貌没有明显变化,表明上浆剂与纤维的“CF-界面相”界面粘接性好。TG测试S1CF、S2CF、S3CF初始分解温度在300℃以上,热稳定性能较好;原子力显微镜(AFM)表征S1CF、S2CF、S3CF表面粗糙度分别为75.3 nm、83.5 nm、98.8 nm,与原丝纤维(RCF)相比均有提高,S3CF最大提高了67.7%;拉曼(Raman)测试说明上浆剂成功涂覆于纤维表面并填充表面缺陷区域,增大无序度和粗糙度;傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X-射线光电子能谱(XPS)分析纤维表面存在-O-、环氧、-OH等活性基团,S1CF、S2CF、S3CF表面的润湿性能相比于RCF分别提高8.07%、6.61%、8.69%,单丝拉伸强度也均有提高且S3CF最好。(3)CF与PA6界面粘接性是影响CF/PA6复合材料力学性能的重要因素。动态热机械性能(DMA)测试表明,S1CF/PA6、S2CF/PA6、S3CF/PA6与PA6、DCF(去浆)/PA6、RCF/PA6相比储能模量大,玻璃化转变温度(Tg)高,损耗模量、损耗因子(tanδ)小,S1CF、S2CF、S3CF与PA6的界面粘接性增强。流变行为测试表明S1CF/PA6、S2CF/PA6、S3CF/PA6的复数粘度(η*)均比PA6、RCF/PA6、DCF/PA6的大,对PA6分子链的解缠阻碍更大,增稠效果明显,与PA6的界面粘接性能较好;力学性能均比PA6、RCF/PA6、DCF/PA6的优异,其中S3CF/PA6的最好。(4)CF/PA6复合材料界面作用机理:通过上浆剂改性CF,在纤维表面引入-O-、环氧、-OH等活性基团,构筑不易脱落的界面相,与PA6间通过范德华力、分子链的相互扩散与缠绕粘接。上浆剂的环氧基团与PA6的-NHCO-反应产生化学键,进一步促进CF与PA6的界面粘接,形成良好的“界面相-PA6”界面,界面相在复合材料中起着“桥链”作用,增强CF/PA6复合材料的界面粘接性,提高CF/PA6复合材料的力学性能。
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