聚醚酰亚胺耐热大分子偶联剂增强增韧石英纤维/含硅芳炔复合材料界面

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含硅芳炔(PSA)树脂是一类具有优良耐高温,耐烧蚀性能的新型热固性树脂,然而在使用石英纤维(QF)为增强体与之复合时,由于两相极性和热膨胀系数相差较大,界面结合不紧密,力学强度和韧性还未完全满足使用要求,高温下的力学性能保留率较低。  本文首先从复合材料界面着手,针对QF和PSA的结构特点,设计制备了一种大分子偶联剂(BDA-K)。这种大分子偶联剂使用二苯醚二苯酐,二胺苯基酸,苯乙炔衍生物,γ—氨丙基三乙氧基硅烷为原料,通过酰亚胺化,酰氯化,亲核取代反应制得。通过傅立叶红外光谱,核磁共振氢谱及凝胶渗透色谱对各步产物的结构和相对分子质量进行表征。BDA-K溶解性较好;常温密封干燥环境下,贮存期约60天。TGA测试表明,BDA-K固化后Td5达到489℃,热稳定性较高。  其次,使用合成的BDA-K对复合材料界面进行处理。实验结果表明,BDA-K的添加不会影响复合材料原本的成型工艺;纤维处理的最佳工艺为:使用pH值为4-5的BDA-K溶液预处理QF约1h。在BDA-K添加量为3.5wt%时,室温下,层间剪切强度和弯曲强度都达到了最高值,分别为24.5MPa和314.6MPa,较空白样分别提升了54.1%和59.0%;在250℃时,层间剪切强度和弯曲强度保留率分别达到89.0%和89.6%,500℃时保留率分别达到63.3%和67.9%,界面增强效果和高温力学性能较好;缺口冲击强度,Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性分别为324.2kJ/m2,46.0J/m2和235.6J/m2,较空白样分别提升了23.8%,23.3%和37.2%,界面增韧效果比较理想。  最后,运用接触角测试,原子力显微镜和电子能谱研究了BDA-K与QF间的物理与化学作用;运用差式扫描量热仪和红外跟踪探究了BDA-K与PSA固化过程中的热焓和结构变化。综合分析得出了BDA-K界面作用机制:BDA-K中烷氧基首先水解成羟基,与QF表面的羟基形成氢键,在固化过程中脱水缩合;炔基在固化中与PSA中炔基发生反应,形成稳定的交联网络结构。通过扫描电镜照片,可以观察到BDA-K有效地连接了QF和PSA,并且形成柔软的大分子偶联剂涂层,增强了弱界面层。
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