石墨烯修饰玄武岩纤维织物增强热塑性复合材料摩擦性能研究

作     者：高静静 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周少锋

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：玄武岩纤维织物 氧化石墨烯 BF/PA6复合材料 力学性能 摩擦性能 

摘      要：玄武岩纤维织物(BF)增强热塑性复合材料具有力学性能突出,无环境污染,耐磨,耐高温性强和易加工等优点,被广泛应用于军工、航空航天、化工、汽车电子及其它高技术领域。然而,玄武岩纤维表面光滑,没有活性基团,表面能低,导致玄武岩纤维与热塑性树脂之间的界面结合性能不好,进而影响了玄武岩纤维织物增强热塑性复合材料力学及摩擦性能。本文为了提高玄武岩纤维织物增强热塑性复合材料的界面结合性能,一是通过静电自组装方法将氧化石墨烯(GO)附着在BF表面,二是通过聚多巴胺/聚乙烯亚胺(PDA/PEI)共沉积法将GO沉积到BF表面,三是将聚乙二醇(PEG)水热法改性GO(PEG-GO)涂覆于BF表面,并分别研究了相应玄武岩纤维织物增强尼龙6(BF/PA6)复合材料的力学和摩擦性能改性规律。以下是具体的研究内容和结论:(1)采用简单绿色的静电自组装法,利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)处理BF后的带正电荷的BF-NH和带负电荷的不同浓度的GO水溶液制备了GO-BF,FTIR、拉曼、XPS和SEM证实GO浓度为0.8g/L时GO均匀分布于BF表面。GO-BF与PA6树脂是通过叠层模压法制备成BF/PA6复合材料,研究GO浓度对BF/PA6复合材料的力学和摩擦性能的影响规律得出,0.8g/L GO溶液可以使BF/PA6复合材料的弯曲强度,弯曲模量和冲击强度分别提高53.2%,63.44%和43.2%。GO也有效地提高了BF/PA6复合材料的摩擦性能,0.8g/LGO-BF/PA6复合材料的平均摩擦系数和磨损率分别降低了15.2%和41.4%。当GO的浓度为0.8g/L时,BF/PA6复合材料的初始分解温度和在800℃下的残余含量相对于未改性BF/PA6复合材料分别提高了1.6%和16.4%。(2)采用PDA/PEI共沉积法将GO沉积到BF表面制备了GO-PDA/PEI-BF,结构和形貌表征结果表明GO-PDA/PEI-BF被温和并且高效制备。将GO-PDA/PEI-BF与PA6树脂通过叠层模压法制备成复合材料,GO-PDA/PEI-BF/PA6复合材料的弯曲强度和弯曲模量可分别提高56.1%和25.9%,冲击强度提高23.8%。摩擦性能结果表明,GO-PDA/PEI-BF/PA6复合材料的平均摩擦系数和磨损率分别降低21.2%和55.8%。此外,随着GO-PDA/PEI的添加,BF/PA6复合材料的初始分解温度和800℃下的残余含量分别提高2.6%和15.6%。(3)为快速且无损修饰BF织物,将水热法制备的PEG-GO无损涂覆于BF表面制备了PEG-GO-BF,PEG-GO质量分数为0.3wt%时BF表面形貌均匀、稳定。研究不同质量分数PEG-GO修饰BF与PA6叠层模压制得PEG-GO-BF/PA6复合材料的性能表明,0.3wt%PEG-GO-BF/PA6复合材料的弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高61.3%、93.5%和20.3%,平均摩擦系数和磨损率分别降低19.1%和58.5%,而初始分解温度和800℃下残余含量分别提高1.8%和23.3%。总体而言,本文采用的静电自组装法、PDA/PEI共沉积法和PEG涂覆法制备的GO修饰BF织物,均有效改善了BF/PA6复合材料的力学性能和摩擦性能,相关研究为纤维织物增强热塑性复合材料界面改性和性能提升提供了新思路,可望为发展高性能纤维增强热塑性复合材料提供借鉴。