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水性聚芳醚酮上浆剂的制备及其碳纤维复合材料的增强作用研究

水性聚芳醚酮上浆剂的制备及其碳纤维复合材料的增强作用研究

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作者：裴维兵长春工业大学

学位级别：硕士

碳纤维增强聚合物复合材料因高比模量和优异的力学性能而广泛应用于航空航天、能源、交通运输等行业。然而,由于碳纤维表面惰性以及聚醚醚酮的非极性结构和高熔融态,使得碳纤维与聚醚醚酮之间的粘结强度较低,导致复合材料的应力传递效... 详细信息

碳纤维增强聚合物复合材料因高比模量和优异的力学性能而广泛应用于航空航天、能源、交通运输等行业。然而,由于碳纤维表面惰性以及聚醚醚酮的非极性结构和高熔融态,使得碳纤维与聚醚醚酮之间的粘结强度较低,导致复合材料的应力传递效率较低,界面性能不理想,从而降低复合材料的机械性能。其中,上浆方法能有效增强碳纤维与树脂基体之间的界面粘合而受到关注。为此,本文通过结构设计来合成适用聚醚醚酮加工温度的耐高温聚合物,以其为前驱体制备适用聚醚醚酮的水性上浆剂。基于聚醚醚酮与纤维界面相容性较差的问题,依据“相似相溶”原理,设计合成可交联聚芳基醚酮(PN-PFEK)聚合物,用于制备水性上浆剂的前驱体。通过乳液溶剂蒸发法制备不同浓度的上浆剂来改善碳纤维与基体树脂之间的界面结合,改上浆剂有良好的储存稳定性,粒径范围在66.51-87.71 nm。经过热压工艺制备碳纤维/聚醚醚酮复合材料,该复合材料具有良好的耐溶剂性和出色的机械性能。这主要归因于PN-PFEK引入了大侧基芴基增加树脂的自由体积从而改善溶解性,以及氰基在热压过程中自交联形成酞菁环赋予碳纤维/聚醚醚酮复合材料优异的耐溶剂性。与未上浆复合材料相比,1.5 wt%上浆CF/PEEK复合材料在弯曲强度、层间剪切强度和界面剪切强度方面显著提升,分别提高了40.1%、35%和74.1%。此外,在有机溶剂中处理60 h后,复合材料层间剪切强度值并未呈现明显下降趋势,为“热塑性加工,热固性应用”的上浆剂制备提供一种简便可行的方法。为了进一步提高上浆剂的实际应用,合成一种具有cardo基团的亲水性聚酰胺酸(SW-PAA)聚合物,让其形成铵盐并用于制备水溶性上浆剂。SW-PAA在脱水后形成亚胺具有优异的热稳定性,5%的热分解温度571.3℃,其水溶液保存3个月没有沉淀产生。通过加热使SW-PAA脱水在CF/PEEK复合材料构筑了一个坚固的界面,与未上浆相比,1.5 wt%上浆的复合材料在弯曲强度,层间剪切强度,界面剪切强度取得显著提升,分别提高38.6%、32%和36.7%。本实验对开发一种有效的、环境友好的水溶性聚芳醚酮上浆剂具有一定的指导意义。

关键词：复合材料水性上浆剂纤维/基体树脂粘结界面相

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