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聚氨酯上浆剂与玻璃纤维界面结合分子动力学研究

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丝绸 2024年第8期61卷 43-49页

作者：宋嘉祁汪峰王矿卓炎孙壮壮付一政朱博江南大学纺织科学与工程学院江苏无锡214122 浙江道易新材料有限公司浙江丽水323000 中北大学材料科学与工程学院太原030051

上浆剂可以有效提高玻璃纤维的织造效率。文章选择阴离子水性聚氨酯作为上浆剂对玻璃纤维进行上浆,采用分子动力学模拟方法,从分子尺度解析聚氨酯/玻璃纤维界面作用机制。研究了三种常见硅烷偶联剂对聚氨酯/玻璃纤维界面的影响,并通过... 详细信息

上浆剂可以有效提高玻璃纤维的织造效率。文章选择阴离子水性聚氨酯作为上浆剂对玻璃纤维进行上浆,采用分子动力学模拟方法,从分子尺度解析聚氨酯/玻璃纤维界面作用机制。研究了三种常见硅烷偶联剂对聚氨酯/玻璃纤维界面的影响,并通过玻璃纤维力学性能实验进行了验证。模拟研究结果表明:界面中硅烷偶联剂能够提升聚氨酯上浆剂在玻璃纤维表面的界面结合能力,其中AWPU/KH570/GF模型的平均界面结合能最大(-191.488 kcal/mol),说明在KH570作用下,聚氨酯分子更容易与玻璃纤维表面形成优良的结合界面。实验结果表明:相较于其他两种硅烷偶联剂,KH570对提高聚氨酯上浆剂和玻璃纤维的界面结合性最佳,实验结果与模拟结论相符;通过单因素实验发现当AWPU质量分数为20%、KH570质量分数为4%时,玻璃纤维浆纱断裂强力和耐磨性能分别升高了5.6%和14.7%,并且集束性能最好。界面中硅烷偶联剂KH570显著增加了聚氨酯上浆剂/玻璃纤维的结合性能。

关键词：玻璃纤维聚氨酯硅烷偶联剂上浆剂分子动力学界面结合能

PMMA树脂用碳纤维上浆剂的制备与性能研究

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PMMA树脂用碳纤维上浆剂的制备与性能研究

作者：王锟北京化工大学

学位级别：硕士

碳纤维增强热塑性复合材料是碳纤维复合材料发展的一个重要方向,它相比于传统的热固性复合材料有着更好的韧性,具备快速成型、二次加工和可修复的能力,且易于回收再利用。但热塑性树脂的熔体粘度高,流动性差,与碳纤维复合成型时难以浸渍... 详细信息

碳纤维增强热塑性复合材料是碳纤维复合材料发展的一个重要方向,它相比于传统的热固性复合材料有着更好的韧性,具备快速成型、二次加工和可修复的能力,且易于回收再利用。但热塑性树脂的熔体粘度高,流动性差,与碳纤维复合成型时难以浸渍,而原位聚合的甲基丙烯酸甲酯兼具了热固性树脂的成型工艺和热塑性树脂的力学性能,是一种较为理想的热塑性复合材料基体树脂。但聚甲基丙烯酸甲酯树脂活性较差,和碳纤维表面结合弱,导致纤维/树脂界面易于脱粘,无法有效的传递应力,因此碳纤维/聚甲基丙烯酸甲酯界面性能成为制约聚甲基丙烯酸甲酯应用于碳纤维复合材料的关键因素。针对以上问题,本文设计并制备了自乳化水性聚氨酯上浆剂,同时通过引入双键和接枝聚甲基丙烯酸甲酯的方式对聚氨酯进行改性,进一步提升碳纤维与聚甲基丙烯酸甲酯的界面结合强度,并对上浆剂的增强机理进行分析,探究影响上浆剂乳液性能和界面性能的影响因素。论文的主要研究成果如下:（1）设计并合成了一种水性聚氨酯,由异佛尔酮二异氰酸酯和聚己二酸-1,4-丁二醇酯作为两种主要合成单体,引入二羟甲基丙酸作为亲水基团使其能自乳化。合成的聚氨酯重均分子量在15000～33000之间,聚氨酯分子量随着异氰酸酯指数（R值）的增加而增大,随着亲水单体含量的增加而减小;树脂热稳定性随分子量的增加而增大,5%热失重温度在220℃～300℃之间,具有优异的热稳定性。自乳化乳液的粒径随R值的增加而增大,随着亲水单体含量的增加而减少,乳液的Zeta电位随R值的增加而减少,随亲水单体含量的增加而增加,乳液在亲水单体含量为8.6wt%、R值为1的时候粒径最小,为33.1 nm,Zeta电位最高,为61.8 m V,乳液稳定性优异。上浆后碳纤维表面能为61.3 m J/m2,较未上浆碳纤维提升近100%。碳纤维/PMMA界面剪切强度为67.5 MPa,较未上浆碳纤维提升近90%。（2）采用2-甲基-2-丙烯酸-2,3-二羟基丙基酯对自乳化聚氨酯进行改性,在聚氨酯中引入双键,甲基丙烯酸甲酯原位聚合时可以与上浆剂分子中的双键反应形成化学键连接。合成的反应型聚氨酯重均分子量在15000～22000之间,聚氨酯分子量随着改性单体含量的增加而增加。树脂乳化后随着改性单体含量的增加,乳液粒径增加,Zeta电位减小。上浆后碳纤维表面能随改性单体含量的增加而减小,碳纤维/PMMA界面剪切强度随改性单体含量增加而增加,含量6%时界面剪切强度达到78.9 MPa,较未上浆碳纤维提升了近122%,较未改性聚氨酯上浆剂上浆的碳纤维提升近17%。（3）采用甲基丙烯酸甲酯对聚氨酯上浆剂进行接枝改性,使上浆剂树脂与基体树脂有更相似的结构,同时聚甲基丙烯酸甲酯更易于溶解在甲基丙烯酸甲酯单体中,固化后可以形成更有效的分子链缠结。接枝型聚氨酯的分子量在12000～22000之间,分子量随接枝量增加而增加。树脂乳化后随着接枝量的增加,乳液粒径增加,Zeta电位减小。接枝型聚氨酯上浆剂上浆后碳纤维表面能随接枝量的增加而减少,碳纤维/PMMA的界面剪切强度随接枝量的增加而增加,最高达到88.9 MPa,较未上浆碳纤维提升了近150%,较未改性聚氨酯上浆剂上浆的碳纤维提升近32%。

关键词：水性聚氨酯热塑性复合材料上浆剂聚甲基丙烯酸甲酯

基于上浆剂物理扩散和化学键合作用机制的复合材料界面性能研究

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基于上浆剂物理扩散和化学键合作用机制的复合材料界面性能研究

作者：李宇辰北京化工大学

学位级别：硕士

界面相是复合材料结构中的重要组成部分,在极大程度上影响着复合材料制件的宏观强度。然而碳纤维的原始表面化学活性较低,与树脂基体间的界面匹配性较差,因此需要对碳纤维进行表面处理。目前上浆法是工业上最常使用的碳纤维表面处理方法... 详细信息

界面相是复合材料结构中的重要组成部分,在极大程度上影响着复合材料制件的宏观强度。然而碳纤维的原始表面化学活性较低,与树脂基体间的界面匹配性较差,因此需要对碳纤维进行表面处理。目前上浆法是工业上最常使用的碳纤维表面处理方法,然而商用上浆剂在复合材料界面结构形成过程中的作用机制尚未形成定论。针对上述问题,本课题从上浆剂在碳纤维表面的结合方式及含量的角度出发,建立了双上浆层模型,阐明了其通过物理扩散和化学键合调控复合材料界面性能的作用机制,并在此基础上通过引入不同功能化的Ui O66纳米颗粒构筑了上浆剂-MOF刚柔界面相,完善了仅含上浆剂的界面结构的不足,促进了模量的平缓过渡并提高了界面交联密度,有效增强了复合材料的界面性能。主要研究内容如下:（1）基于环氧基团与碳纤维表面活性基团之间的化学反应,采用主体成分为环氧树脂的商用上浆剂制备了具备不同上浆量的碳纤维,系统研究了上浆剂作用类型及含量对碳纤维表面特性、碳纤维/环氧树脂浸润行为和复合材料界面强度的影响规律,建立了化学上浆层和物理上浆层的双上浆层模型,并揭示了双上浆层结构对界面性能的调控机制:物理上浆层通过与环氧树脂基体间的相互扩散作用提高界面相的厚度,从而促进应力在界面处的传递;化学上浆层则不参与物理扩散过程,而是通过增强碳纤维与扩散的树脂基体的化学粘附力来改善界面结合。当上浆量为1.30%时复合材料取得最佳界面强度,SCF-2/EP的IFSS和TFBT强度分别达到了84.9 MPa和23.7 MPa,相比UCF/EP提高了26.2%和52.9%。界面性能的增强归因于双上浆层物理扩散和化学键合的作用机制达成了平衡,同时碳纤维与树脂基体间的浸润效果达到最优,平衡接触角仅为12.9°。（2）基于上述研究结果,为了弥补碳纤维与树脂基体间巨大的模量差异,并提高界面处的交联网络密度,将三种带有不同活性基团的MOF纳米颗粒(Ui O66、Ui O66-（OH）2和Ui O66-NH2)分别引入了上浆碳纤维表面,从而构筑了新型的上浆剂-MOF刚柔界面结构,并系统探究了改性处理对复合材料界面性能的影响规律和增强机制。结果表明,上浆剂-MOF刚柔结构的引入显著提升了碳纤维表面的粗糙度和化学活性,并加快了其与环氧树脂基体的浸润速率。Ui O66-NH2对复合材料界面性能的增强效果最佳,NSCF/EP的IFSS和TFBT强度分别达到了96.3 MPa和31.8 MPa,相比UCF/EP提高了43.1%和105.2%。界面性能的改善归因于Ui O66纳米颗粒与上浆剂通过协同的扩散机制显著提高了界面相厚度（275.9 nm）,促进了模量的平缓过渡和应力的有效传递。此外,Ui O66纳米颗粒提供的大量活性位点促进了界面处的交联固化,进一步增强了界面结合。

关键词：碳纤维上浆剂物理扩散化学键合复合材料界面相

基于BN改性上浆剂增强碳纤维复合材料的制备及其性能研究

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基于BN改性上浆剂增强碳纤维复合材料的制备及其性能研究

作者：李伟文长春工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPs）凭借其强度大、质量轻、耐化学腐蚀和耐疲劳等优点而被广泛应用到各大领域。然而,随着CFRPs的应用更加多元化,人们对其综合性能提出了更高的要求,特别是导热性能不足限制了它在一些特殊领域更深层次... 详细信息

碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPs）凭借其强度大、质量轻、耐化学腐蚀和耐疲劳等优点而被广泛应用到各大领域。然而,随着CFRPs的应用更加多元化,人们对其综合性能提出了更高的要求,特别是导热性能不足限制了它在一些特殊领域更深层次的应用。因此,研发一种具有优异力学性能和导热性能的碳纤维复合材料是一项具有重要意义的工作。本论文将正硅酸乙酯（TEOS）、碳纳米管（CNTs）和聚多巴胺（PDA）作为氮化硼（BN）的改性手段,并使用制备的BN复合纳米材料改性水性环氧树脂上浆剂。同时,在碳纤维表面设计、组装了不同的网络结构来提升复合材料的综合性能,并探讨了BN增强碳纤维复合材料的机理以及碳纤维复合材料的界面、导热和摩擦性能之间的相互作用关系。具体研究内容如下:（1）为了提升碳纤维复合材料的综合性能,利用BN纳米片和CNTs在导热、摩擦性能等多方面的协同耦合作用以及TEOS在碱性条件下水解缩合的原理,使TEOS在BN和CNTs分散液中水解缩合,制备了由BN、CNTs,和二氧化硅（SiO）组成的TBC纳米溶胶,并用其改性上浆剂。TEOS可水解生成以Si-O键为主的网状分子和SiO,为碳纤维和基体树脂的结合提供了更多的化学键合和机械锚点。同时,溶胶体系进一步提升了纳米粒子在上浆剂中的分散性。利用FTIR、XPS、XRD、TGA对溶胶的重要组成部分进行了系统研究,并通过SEM、ILSS、IFSS和弯曲强度探究了上浆剂中纳米溶胶的最佳添加浓度。得到的数据表明,在30%TBC纳米溶胶添加量下复合材料的综合性能最佳,其ILSS、弯曲强度、热导率和IFSS分别提高了47.01%、51.03%、49.5%、41.44%。综合性能的提高拓宽了CFRPs在航空航天和汽车部件等方面的应用。（2）针对上部分工作中碳纤维表面的不连续通路使复合材料的机械和导热性能提升不足的问题,本部分主要对纳米粒子和碳纤维表面的结构进行了改进和设计。利用CNTs共轭结构对BN纳米片进行插层以降低BN纳米片之间强的层间作用力。用聚多巴胺作为BN的改性手段,并以硅烷偶联剂为桥接剂连接BN与CNTs,设计组装了一种具有3D立体结构的复合纳米粒子（BC）改性上浆剂,并涂覆到碳纤维表面形成了连续的3D纳米网络结构。该3D网络结构能高效分散应力和传递热量,提升碳纤维复合材料的机械、导热和摩擦性能。通过FTIR、XPS、XRD、TGA对BC复合纳米粒子进行了系统研究,并通过控制BC复合纳米粒子在上浆剂中的添加量,确定了最佳改性比例。其中,BC的添加量为2%时碳纤维复合材料的综合性能提升最为显著,其ILSS、弯曲强度、热导率和IFSS分别提高了55.58%、53.96%、63.56%和55.35%,该方法为碳纤维复合材料在热交换领域和耐磨材料方面的应用提供了一定的理论指导。综上,使用两种不同的方法修饰BN,以改善其在实际应用中的不足,利用不同BN复合纳米材料改性上浆剂来提升碳纤维复合材料的综合性能。从多方面研究了BN复合纳米材料改性水性环氧树脂上浆剂对碳纤维复合材料的影响,为碳纤维的界面改性提供了思路。

关键词：碳纤维复合材料氮化硼上浆剂界面性能热导率

水性聚氨酯上浆剂的制备及其在碳纤维复合材料中的应用

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水性聚氨酯上浆剂的制备及其在碳纤维复合材料中的应用

作者：赵亚楠长春工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强聚酰胺复合材料因其出色的力学性能、平价易得及可回收等优点,在市场上备受欢迎,但是由于碳纤维表面呈现惰性,活性官能团较少,导致碳纤维增强聚酰胺复合材料界面结合力弱,限制了其整体机械性能。因此,改善碳纤维/聚酰胺6复合... 详细信息

碳纤维增强聚酰胺复合材料因其出色的力学性能、平价易得及可回收等优点,在市场上备受欢迎,但是由于碳纤维表面呈现惰性,活性官能团较少,导致碳纤维增强聚酰胺复合材料界面结合力弱,限制了其整体机械性能。因此,改善碳纤维/聚酰胺6复合材料的界面性能具有重要意义。研究者们采用了多种方法对碳纤维进行表面改性来增加纤维表面活性,上浆法因操作简单成为了碳纤维表面改性方法中的首选。然而目前商用上浆剂主要为环氧型上浆剂,与聚酰胺树脂的浸润性较差,复合材料的性能较低,因此,上浆剂的选择应与基体树脂相适配,根据“相似相容”的原则,本文通过制备两种生物基水性聚氨酯上浆剂,提升碳纤维/聚酰胺6复合材料的性能。本文的主要研究内容如下:(1)本实验设计了一种具有抗紫外线吸收能力的生物基水性聚氨酯上浆剂,以4,4-二羟基二苯甲酮作为扩链剂,使上浆剂具有紫外吸收性;并通过在纤维表面接枝钙离子,利用海藻酸钠和钙离子之间的金属螯合作用,从而增强了纤维和上浆剂之间的界面结合力,进而增强复材的整体性能。与未经处理的碳纤维/聚酰胺6复合材料进行比较,CF-1.5 wt%/PA6复合材料的层间剪切强度提高了46%,弯曲强度提高了67%,界面剪切强度提高了57%。经过一周的氙灯照射后,机械性能仍保持约98%。这种方法为增强碳纤维复合材料的性能提供了一条新的途径。(2)目前,国内商业化的水性聚氨酯一般是通过传统的多元醇和异氰酸酯等石油基原料合成,本实验利用呋喃二甲酸和1,4-丁二醇之间的酯化反应合成了一种新的扩链剂FDPA-BDO,并使用没食子酸和L-赖氨酸二异氰酸酯作为生物基原料,设计了一种生物基水性聚氨酯,制备成不同浓度的上浆剂应用于碳纤维/聚酰胺6复合材料。通过对其进行力学试验,当上浆剂浓度为1.5wt%时,复合材料的弯曲强度提高了57%,层间剪切强度提高了50.3%,界面剪切强度提高了62%,本研究为合成生物基聚氨酯上浆剂提供了一个新思路。

关键词：碳纤维复合材料界面性能聚氨酯上浆剂生物基

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一种生物基上浆剂的制备及应用

聚酯工业 2024年第3期37卷 15-18页

作者：王乐道生天合材料科技(上海)股份有限公司上海201415

以可再生天然生物质厚朴酚、衣康酸为原料,通过简单、高效的两步法合成生物基环氧上浆剂,并对碳纤维复合材料的耐热性能、界面性能和力学性能进行研究。实验结果表明,生物基环氧上浆剂具有良好储存稳定性和热稳定性好,碳纤维复合材料的... 详细信息

以可再生天然生物质厚朴酚、衣康酸为原料,通过简单、高效的两步法合成生物基环氧上浆剂,并对碳纤维复合材料的耐热性能、界面性能和力学性能进行研究。实验结果表明,生物基环氧上浆剂具有良好储存稳定性和热稳定性好,碳纤维复合材料的三点弯曲和层间剪切分别提高了33.2%和36.2%。

关键词：碳纤维复合材料上浆剂环氧树脂

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石墨烯改性上浆剂乳液对碳纤维的影响

山西化工 2024年第5期44卷 18-19,22页

作者：赵海鹏山西华阳碳材科技有限公司山西大同037003

使用聚乙二醇作为分散剂,将石墨烯添加到环氧树脂乳液型上浆剂里改性上浆剂,通过测试不同浆液粒径、表面张力、旋转黏度反应上浆液稳定性;通过测试纤维幅宽、直挺度、耐磨性反应纤维加工性能;研究上浆剂改性后对纤维力学性能的影响。结... 详细信息

使用聚乙二醇作为分散剂,将石墨烯添加到环氧树脂乳液型上浆剂里改性上浆剂,通过测试不同浆液粒径、表面张力、旋转黏度反应上浆液稳定性;通过测试纤维幅宽、直挺度、耐磨性反应纤维加工性能;研究上浆剂改性后对纤维力学性能的影响。结果表明增加了聚乙二醇分散剂的石墨烯环氧树脂乳液稳定性好,纤维更容易上浆。纤维幅宽可以增加0.5 mm,直挺度可以提高1~2 cm,毛丝量可以减少50%~60%。碳纤维力学性能也有提高,尤其是添加了聚乙二醇2000的石墨烯乳液,纤维拉伸强度提高8%。

关键词：上浆剂石墨烯碳纤维力学性能聚乙二醇分散剂

纳米SiO_2改性乳液上浆剂对炭纤维抗拉强度的影响

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新型炭材料 2006年第3期21卷 263-268页

作者：杨禹吕春祥王心葵苏小雷贺福李永红宋燕中国科学院炭材料重点实验室中国科学院山西煤炭化学研究所

利用W eibu ll统计分布分析了上浆对炭纤维单丝抗拉强度的影响。通过扫描电镜(SEM)观察和X射线能谱仪(EDS)分析了上浆前后炭纤维表面和截面的结构形貌及表面元素组成。结果表明:当纳米S iO2粒子与上浆树脂的质量比为0.5%时,上浆炭纤维... 详细信息

利用W eibu ll统计分布分析了上浆对炭纤维单丝抗拉强度的影响。通过扫描电镜(SEM)观察和X射线能谱仪(EDS)分析了上浆前后炭纤维表面和截面的结构形貌及表面元素组成。结果表明:当纳米S iO2粒子与上浆树脂的质量比为0.5%时,上浆炭纤维单丝的抗拉强度最高,增幅达10.1%;W eibu ll参数m值最大,强度的分散性最小。EDS显示了改性上浆炭纤维表面S i元素含量增大。上浆炭纤维比未上浆的表面较均匀,纹理沟槽变浅;截面凹凸不平,呈现一定的韧性断裂特性。说明上浆剂中添加纳米S iO2粒子可以明显提高上浆炭纤维的强度。

关键词：炭纤维纳米SiO2 上浆剂 Weibull

上浆剂对国产T800级碳纤维增强热固性复合材料界面性能的影响

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复合材料学报 2022年第9期39卷 4393-4405页

作者：王新庆柳肇博刘寒松肇研关志东北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

碳纤维具有力学性能优、密度低、耐腐蚀、耐高温等一系列优异性能,近年来被广泛应用于航空、航天等重要领域。相较于国外的高强中模碳纤维,国内虽有T800级碳纤维与之对应,但是国内对高性能碳纤维的研究工作起步晚,研究尚不充分。上浆剂... 详细信息

碳纤维具有力学性能优、密度低、耐腐蚀、耐高温等一系列优异性能,近年来被广泛应用于航空、航天等重要领域。相较于国外的高强中模碳纤维,国内虽有T800级碳纤维与之对应,但是国内对高性能碳纤维的研究工作起步晚,研究尚不充分。上浆剂作为碳纤维表面的重要组成部分,对碳纤维的表面性能有着重要的影响,进而影响复合材料的界面性能。本文采用SEM、TGA、XPS等表征手段,研究分析了上浆剂对国产T800级碳纤维的影响,对碳纤维的表面物化特性及其不同先进树脂基复合材料的微观界面性能进行研究,为国产高性能碳纤维的产品发展提供借鉴意义。

关键词：碳纤维上浆剂复合材料界面性能力学性能