有机电解液电化学改性PAN基碳纤维的表面性能

分别采用脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯、三乙醇胺和脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯铵盐3种有机电解液对PAN基碳纤维进行电化学氧化改性,通过化学滴定法、单纤维断裂强度测试和场发射扫描电镜考察改性前后碳纤维表面酸性官能团含量、力学性能及表面形貌的变化规律,得到电化学改性的最佳条件:浓度5%(质量分数)的O_3PNH_4乳液为电解液,电流密度为2A/g,恒温50℃电化学氧化2min。针对改性处理后的碳纤维的表面性能,进行X射线光电子能谱和单纤维接触角测试。结果表明:以O_3PNH_4为电解液对碳纤维电化学改性,可以在不影响碳纤维力学性能的前提下,增加碳纤维表面的酸性官能团,提高碳纤维的表面能。     

电热作用对碳纤维/环氧树脂界面性能的影响

为了研究电热作用对碳纤维/环氧树脂界面性能的影响机理,对不同强度电流处理后的碳纤维单丝/环氧树脂复合材料的界面剪切强度(IFSS)进行了表征。并采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、差示扫描量热仪(DSC)等实验手段分析了电流强度对界面性能的影响机理。结果表明,随着电流强度的提升,碳纤维单丝/环氧树脂复合材料的界面温度随之升高。IFSS呈现先增大后减小的趋势。2～6 mA直流电流加载一定时间后,碳纤维的表面形貌变化不明显,界面组分发生了后固化反应,玻璃化转变温度(T_g)呈上升趋势;当电流强度继续增大到8 mA(200℃)时,碳纤维表面的上浆剂出现明显烧蚀的现象,界面组分的大分子链发生断裂并逐渐老化,T_g降低。综合分析认为,碳纤维导电产生的焦耳热引起了界面组分物化性能的改变,是导致碳纤维/环氧树脂IFSS变化的主要原因。     

表面改性碳纤维增强羟基磷灰石复合材料抗弯性能的研究

通过在碳纤维表面原位生成莫来石保护层和对氨基苯甲酸表面处理来改性碳纤维,将改性碳纤维与羟基磷灰石(HA)复合,制备表面改性碳纤维增强HA复合材料。研究改性前后的碳纤维对复合材料抗弯强度的影响并分析增强机理。结果表明,随纤维含量的增加复合材料的抗弯强度先提高后下降,碳纤维含量为3%(体积分数)时复合材料的抗弯强度达到最大值。碳纤维、表面处理碳纤维、表面复合处理碳纤维增强HA材料的抗弯强度均随烧结温度的升高而提高,且整体提高幅度依次增大,当烧结温度达1150℃时,3种材料的抗弯强度达最大值,分别为55.13、100.95、112.17MPa。表面复合处理碳纤维增强HA材料的抗弯强度比基体提高最多为3.5倍。这主要归因于碳纤维表面通过原位反应形成莫来石3Al2O3.2SiO2保护层,同时经对氨基苯甲酸处理后碳纤维对HA有更好的亲和性和吸附性。     

氧化石墨烯改性玄武岩纤维及其增强环氧树脂复合材料性能

为了改善玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的界面性能,通过偶联剂对氧化石墨烯进行改性,并将改性后的氧化石墨烯引入到上浆剂中对玄武岩纤维进行表面涂覆改性,同时制备了氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料.采用FTIR表征了氧化石墨烯的改性效果;运用SEM分析了改性上浆剂处理对玄武岩纤维表面及复合材料断口形貌的影响和作用机制.结果表明:偶联剂成功接枝到氧化石墨烯表面;玄武岩纤维经氧化石墨烯改性的上浆剂处理后,表面粗糙度及活性官能团含量增加,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂界面处的机械齿合作用及化学键合作用增强,界面黏结强度得到改善,玄武岩纤维的断裂强力提高了30.8%,氧化石墨烯-玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度提高了10.6%.     

CaCl1和多巴胺处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响

采用氯化钙(CaCl2)乙醇溶液和多巴胺水溶液浸渍法对芳纶纤维表面进行改性处理,对改性后芳纶纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析.结果表明,采用CaCl2乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度明显提高,同时由于纤维结构受到破坏,单丝拉伸强度下降了11.12％;采用多巴胺水溶液处理时,芳纶纤维表面沉积了聚多巴胺涂层,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度进一步提高,纤维结构几乎不受影响,单丝拉伸强度降幅较小;采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液先后处理芳纶纤维后,纤维表面的聚多巴胺涂层更致密,复合材料的层间剪切强度达到最大值,同时改性后的纤维具有一定的抗紫外性能,此方法改性效果最优.     

碳纤维电泳沉积碳纳米管对界面性能的影响

采用碳纳米管电泳沉积到碳纤维表面,达到改性碳纤维复合材料界面性能的目的.将羧基化的碳纳米管在十六烷基三甲基溴化铵的分散作用下制备成不同浓度的水溶液,在电场作用下,将碳纳米管电泳沉积到碳纤维表面.通过扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱以及动态接触角对处理前后的碳纤维的表面形貌、表面元素及浸润性进行表征.研究结果表明,经过电泳沉积碳纳米管后,碳纤维的表面粗糙度、表面极性官能团含量及表面能都有较大提高,纤维的浸润性得到提高.对复合材料的界面性能分析表明,复合材料的界面性能在经过处理后有很大提高,当碳纳米管的质量浓度为0.1%,界面剪切强度提高了72.93%.     

60Coγ-辐射接枝对粘胶基碳纤维的表面改性

为了提高粘胶基碳纤维与树脂的界面粘接性能,采用60Coγ-射线辐射接枝方法对粘胶基碳纤维进行表面改性,研究了接枝溶液种类和吸收剂量对接枝率和复合材料界面性能的影响,吸收剂量对碳纤维抗拉强度的影响,利用扫描电子显微镜分析了辐射接枝后碳纤维表面和复合材料剪切断口断裂形貌的变化.结果表明,环氧/丙酮溶液体系是碳纤维辐射接枝改性的理想溶液,在此溶液中辐射,当吸收剂量大于0.1 kGy时,纤维表面的接枝率为4.2%,复合材料的ILSS提高了20%以上;在合适的吸收剂量下辐射可提高碳纤维的抗拉强度;接枝后纤维表面粗糙度明显增大,与树脂的机械锲合作用增强.     

NH4HCO3溶液中PAN-基碳纤维电化学改性机理

采用循环伏安扫描法和XPS、AFM技术对在NH₄HCO₃溶液中经过电化学改性处理的PAN-基碳纤维的电化学特性、表面化学构成和表面形貌变化进行了分析。结果表明,在NH₄HCO₃溶液中纤维表面主要发生了水的电解析氧反应和部分电活性物质的电化学氧化反应;纤维表面各含氧官能团含量随处理时间的延长不断变化,NH＋₄与纤维表面官能团反应使纤维表面引入大量的酰胺基团;纤维表面形貌在点蚀和气动剥蚀效应的联合作用下不断粗化。      

聚丙烯腈基碳纤维电化学改性研究现状与展望

综合论述了聚丙烯腈基(PAN)碳纤维电化学表面改性处理研究的发展现状,对比分析了碳纤维电化学改性处理法的研究内容及表征手段,指出了存在的问题,并展望了碳纤维表面电化学改性处理的研究前景.在碳纤维改性工艺参数的研究工作中,为了使实验结果有可比性,迫切需要一套标准来规范实验条件及性能表征方法,而为了更好地体现碳纤维复合材料的性能优势,仍需不断探索和研究碳纤维的电化学改性机理.为使复合材料的性能更好地达到应用要求,有必要提出碳纤维表面改性模型及界面理论.     

超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性及其橡胶基复合材料的力学性能

针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与基体之间界面结合强度低的问题,采用超声波结合铬酸溶液氧化的复合工艺对UHMWPE纤维进行表面处理,并将处理后的纤维加入到天然橡胶(NR)中制备短切UHMWPE纤维/NR复合材料。结果表明:复合改性工艺可有效增加纤维表面粗糙度及表面含氧官能团含量,最佳改性工艺条件为:按照重铬酸钾、水及浓硫酸的质量比7∶12∶150配置铬酸溶液,将含有一定质量UHMWPE纤维的铬酸溶液放入35℃的超声波清洗仪中氧化5min,其中超声波频率为100kHz。与纯NR样品相比,在UHMWPE纤维与NR的质量比为0~6∶100范围内,随着处理后短纤维含量的增加,复合材料的拉伸强度逐渐减小,最大损失量达到50%;复合材料的硬度不断增大,最大增加量达到96%;复合材料的撕裂强度先增大后减小,在UHMWPE纤维与NR的质量比为5∶100时达到最大值,最大增加量达到49%。     

Electrochemical oxidation of carbon fibres: surface chemistry and adhesion

PAN based carbon fibres were subjected to electrochemical oxidation under a wide variety of conditions. Sodium hydroxide, ammonium hydrogen carbonate, ammonium carbonate, sulphuric acid and nitric acid were used as electrolytes in four concentrations changing from 2 to 20 wt%. The applied voltage varied from 0.5 to 5 V in four steps. The surface chemistry of the fibres was studied by diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIFT). The strength of adhesion between the fibre and an epoxy matrix was characterised by the interfacial shear stress (IFSS), which was determined by fragmentation. The functional groups formed on the surface of the fibres depend very much on the type of the electrolyte used, while their number on its concentration, as well as on the voltage of oxidation. A close correlation was found between surface chemistry and fibre/matrix adhesion, the concentration of certain functional groups could be related quantitatively to IFSS. Some of the functional groups formed during oxidation could not be identified by the DRIFT technique used for analysis.     

PBO纤维表面空气冷等离子体改性

采用等离子体处理方法对PBO(聚对苯撑苯并二 口 恶 唑)纤维表面进行改性。用XPS和AFM测试分析等离子处理时间对PBO纤维表面组成和表面形貌的影响规律;首次采用浸润性测试和IR测试分析等离子体处理前后纤维浸润性和表面官能团的变化。用Microbond测试方法表征了纤维与树脂基体的界面剪切强度,并用SEM观察微复合材料破坏形貌。结果表明:等离子体处理后纤维浸润性得到改善,纤维表面苯环上引入了很多羟基。等离子体处理最佳条件下(170 W,10 min),纤维表面粗糙度最大,纤维表面O元素含量最大, O/C比率提高了50.5 %, IFSS值提高了64.7 %。     

Cellulose fiber/poly(ethylene-co-methacrylic acid) composites with ionic interphase

Cellulose fiber/thermoplastic composites with ionic interphase were prepared from modified cellulose fibers and poly(ethylene-co-methacrylic acid) (PE-co-MA). The cellulose fiber was treated by using coupling agent or sodium hydroxide followed by introduction of ionic quaternary ammonium groups on the fiber surface, which was then compounded with the polymer having anionic groups. The effect of the ionic interface on the composite physical and thermal dynamic properties was investigated. An obvious improvement in mechanical strength of the ionic-interface composites was observed due to acid–base interactions. The improved adhesion could be ascribed to the interaction between cationic grafted groups at the cellulose fiber surface and the anionic groups in the PE-co-MA.     

PBO纤维表面等离子体接枝改性研究

采用等离子体接枝改性方法对PBO纤维表面进行改性研究，利用AFM分析改性前后纤维表面的形貌变化，测试了改性前后纤维表面浸润性变化，并采用Microbond方法表征了纤维与树脂基体的界面IFSS。结果表明：等离子体接枝后纤维表面引入了活性基团，纤维浸润性改善；在100W、10min接枝条件下IFSS提高了75％。     

芳纶纤维的磷酸表面处理及其树脂基复合材料界面性能

采取不同浓度的磷酸水溶液对芳纶纤维进行表面处理, 并对不同处理条件下芳纶纤维的单丝强度、表面性质及其环氧树脂复合材料的界面性能进行了分析和测试。结果表明: 20 wt %磷酸溶液处理的芳纶纤维, 纤维表面含氧官能团含量最高; 继续提高磷酸溶液的浓度, 含氧官能团含量下降, 纤维表面趋于平整, 单丝强度上升。用20 wt %磷酸溶液处理芳纶纤维, 纤维/ 环氧树脂基复合材料的层间剪切强度达到62 MPa , 界面剪切强度提高18 % , 是一种简单有效的表面处理方法。纤维表面粗糙度和纤维表面含氧官能团的数量是影响芳纶纤维/ 环氧树脂复合材料界面结合性能的关键因素。      

化学处理和吸湿水对剑麻纤维及其与树脂界面性能的影响

使用KMnO₄、NaOH、阻燃剂、硅烷对剑麻纤维进行表面处理。采用单丝拉伸和微脱粘方法分别测试了剑麻纤维的拉伸性能及其与改性丙烯酸酯、环氧树脂的界面性能,考察了吸湿水对剑麻纤维表面形貌、拉伸性能及其与树脂界面粘结的影响,分析了相应的破坏模式。结果表明,经过表面化学处理后剑麻纤维的拉伸强度和模量均有不同程度的下降,其中经KMnO₄和硅烷处理后,纤维拉伸强度下降了44%,经NaOH处理后其拉伸强度降低了27%,阻燃剂处理对剑麻性能的影响不明显。表面化学处理还会降低剑麻纤维与改性丙烯酸酯的界面粘结强度,其下降的幅度与纤维拉伸强度下降程度不一致,阻燃剂处理的剑麻/改性丙烯酸酯的界面强度最低,仅为2.0 MPa,较未处理剑麻纤维复合体系下降了80%。经硅烷处理后,剑麻纤维的吸水率下降,吸水后其拉伸性能保留率高于未处理剑麻纤维。湿态条件下未处理剑麻纤维与环氧树脂的界面强度为6.6 MPa,高于硅烷处理剑麻/环氧树脂的界面强度,其断口形貌表明硅烷处理可导致微纤之间的弱粘结,从而降低了剑麻纤维自身及其与树脂的界面性能。     

Effects of emulsion sizing with nano-SiO<Subscript>2</Subscript> on interfacial properties of carbon fibers/epoxy composites

Nano-SiO₂ particles were used to modify epoxy emulsion sizing of carbon fibers to improve the interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy composites. The mechanical interfacial strength between fibers and matrix was investigated by the single fiber fragmentation test and the 3-point short beam shear test, respectively. Dynamic contact angle analysis (DCAA), X-ray photoelectron spectrometry (XPS) and atomic force microscopy (AFM) were performed on the carbon fibers with unmodified sizing and nano-SiO₂ modified sizing. The results indicated that modified sizing with nano-SiO₂ slightly increased the surface energy, the hydroxyl functional group and the surface roughness of carbon fibers compared to unmodified sizing, so that the interfacial shear strength (IFSS) of the single fiber composites and the interlaminar shear strength (ILSS) of composites were enhanced. SEM images of fracture sections of composites proved powerfully that the interfacial adhesion between fibers and matrix was improved after nano-SiO₂ modified emulsion sizing treatment.     

高强高模碳纤维表面电化学氮化机制

高温石墨化使高强高模碳纤维(CF)表面光滑,反应活性低,导致其复合材料界面粘接性能差。杂原子改性是改善CF表面反应活性的有效手段之一。采用循环伏安(CV)方法在有机复合电解液中对高强高模CF进行了表面氧化和氮化改性,采用CV优选的复合电解液进行恒流电化学氧化处理,研究了CV扫描次数和电解液中含氮有机物对CF表面化学组成的影响。电化学处理前后CF表面化学元素组成和微观形态变化通过XPS、SEM及拉曼光谱表征。基于实验数据探讨了CF表面含氮官能团的生成及转变机制。研究结果显示,有机溶剂、有机氮源和含硫铵盐的协同作用使CF表面N含量从0.28at%增至4.77at%。适量的水存在,可以使CF表面O含量显著提高。CF表面的含氧官能团可以与CO(NH₂)₂中的-NH₂及电解液中的NH₄⁺反应形成酰胺基团,随着反应时间延长,CF表面的酰胺N会先转变成氧化氮,随后转变成吡啶和吡咯N,并最终转换成石墨N。恒流电化学处理后CF/环氧树脂复合材料的层间剪切强度(ILSS)较未处理的提高了132%,...     

AZ-1改性炭纤维/聚三唑复合材料界面研究

研究了一种用氮丙啶处理炭纤维的方法在新型聚三唑树脂复合材料中的界面作用效果和作用机理.用硝酸氧化处理炭纤维,再引入分子结构中含氮丙啶环的化合物AZ-1,通过化学手段对炭纤维进行改性.结果表明,经改性后炭纤维增强聚三唑树脂复合材料比未处理复合材料的层间剪切强度提高86%.AFM,SEM和接触角测试表明化学改性增加了炭纤维...