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电化学改性与上浆剂施覆对碳纤维表面的协同处理研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 碳纤维的概述

1.1.1 碳纤维的特性

1.1.2 国外发展现状

1.1.3 国内发展现状

1.2 碳纤维复合材料的研究及概述

1.2.1 环氧树脂基体

1.2.2 碳纤维/环氧树脂复合材料成型工艺

1.2.3 碳纤维复合材料的应用领域

1.3 碳纤维复合材料的界面层作用机理

1.4 碳纤维表面的改性方法

1.4.1 气液相氧化法

1.4.2 电化学阳极氧化法

1.4.3 化学气相沉积

1.4.4 电聚合方法

1.4.5 等离子体处理法

1.4.6 聚合物涂层法

1.5 研究背景与意义

第二章 改性环氧树脂碳纤维浆料的制备及乳液性能研究

2.1 引言

2.2 实验原料

2.3 实验仪器

2.4.1 反应机理

2.4.2 实验方法

2.5 测试与表征

2.5.1 环氧值得测试

2.5.2 酸值的测试

2.5.3 产物的红外光谱测试

2.5.4 乳液稳定性的测试

2.5.5 乳液粘度的测试

2.5.6 表面张力的测试

2.5.7 乳液粒径分布测试

2.5.8 吸附热力学测试

2.6 结果与讨论

2.6.1 产物的红外光谱图分析

2.6.2 环氧值对改性环氧树脂乳液稳定性的影响

2.6.3 环氧值对改性环氧树脂乳液粒径分布的影响

2.6.4 环氧值对改性环氧树脂乳液表面张力的影响

2.6.5 浓度对改性环氧树脂乳液粘度的影响

2.6.6 浓度对改性环氧树脂乳液表面张力的影响

2.6.7 改性环氧树脂上浆剂在碳纤维表面的吸附热力学研究

2.7 本章小结

第三章 碳纤维的表面改性及性能研究

3.1 引言

3.2 实验原料

3.3 实验仪器

3.4 实验方法

3.4.1 碳纤维布的表面预处理

3.4.2 碳纤维布表面电化学改性

3.4.3 改性环氧树脂碳纤维浆料对碳纤维布的表面处理

3.5 碳纤维布处理前后的性能测试及表征

3.5.1 碳纤维布中碳纤维单丝断裂强度测试

3.5.2 碳纤维布表面的元素分析

3.5.3 碳纤维布中碳纤维SEM测试

3.5.4 碳纤维布中碳纤维表面微观结构表征

3.5.5 乳液在碳纤维表面接触角的测试

3.6 结果与讨论

3.6.1 电化学改性对碳纤维断裂强度的影响

3.6.2 电化学改性后碳纤维表面形貌变化分析

3.6.3 电化学改性对乳液在碳纤维表面接触角的影响

3.6.4 碳纤维含浆量对碳纤维单丝断裂强度的影响

3.6.5 上浆剂施覆处理后碳纤维表面形貌分析

3.6.6 上浆剂施覆处理后碳纤维表面元素分析

3.7 本章小结

第四章 碳纤维布/环氧树脂复合材料的力学性能研究

4.1 引言

4.2 实验原料

4.3 实验仪器

4.4 实验方法

4.4.1 碳纤维布/环氧树脂复合材料的制备

4.4.2 复合材料样品的制备

4.5 测试及表征

4.5.1 碳纤维布/环氧树脂复合材料层间剪切强度测试

4.5.2 碳纤维布/环氧树脂复合材料的断面形貌观察

4.6 结果与讨论

4.6.1 碳纤维上浆量对碳纤维布复合材料层问剪切强度的影响

4.6.2 表面处理前后碳纤维布复合材料断面形貌分析

4.6.3 不同处理方法对碳纤维布复合材料层间剪切强度的影响

4.6.4 不同处理方法的碳纤维布复合材料断面形貌分析

4.7 本章小结

第五章 结果与讨论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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摘要

碳纤维常被用作复合材料的增强相来使用。但因其呈化学惰性的表面很难被树脂所覆盖,与捌脂相容性差,较难形成良好的相界面。然而复合材料增强相与基体间的界面结合程度的好坏,决定着载荷能否在复合材料的基体与增强相之间实现有效的传递,直接影响到复合材料的力学性能。本课题针对这一问题,提出电化学处理与上浆剂施覆物理与化学相结合的协同处理方法对碳纤维表面进行处理,以改善碳纤维与树脂基体间的界面结合强度。
  首先,使用己二酸改性环氧树脂E44,引入亲水基团,制得改性环氧树脂碳纤维浆料。为得到其作为碳纤维浆料使用的最佳工艺参数,对改性环氧树脂乳液的物化性质进行了研究。采用红外光谱仪对产物进行分析,经红外谱图的对比分析和产物的水溶性,证明得到了目标产物改性环氧树脂。采用离心机对乳液稳定性进行测试、采用表面张力仪对乳液表面张力进行测试、采用激光粒径仪对乳液粒径进行测试、采用接触角仪对乳液在纤维表面接触角进行测试。探究出环氧值为0.06mol/100g和乳液浓度为1wt%是改性环氧树脂作为碳纤维上浆剂最佳工艺参数。
  其次,使用两步协同处理的方法对碳纤维表面进行了处理。结果表明:碳纤维表面经第一步电化学处理后,碳纤维表面变得更加的粗糙,有利于上浆剂在碳纤维表面的铺展,且形成的沟槽结构也可以增加上浆剂与碳纤维表面的摩擦系数,提高两者结合力。经第二步上浆剂施覆处理后,增加了碳纤维表面活性官能团的数量,上浆剂在纤维表面形成的分子膜能起到偶联剂的作用,增加了吸附作用与粘结力。能够很好的提高碳纤维与树脂基体间的界面结合力。并且上浆剂施覆处理能修复电化学处理给碳纤维表面带来的损伤,提高碳纤维的自身强度。
  最后,采用万能强力机,对不同处理方法的碳纤维制备的复合捌料进行了力学性能的测试,以此来考核自制浆料的处理效果。结果表明:电化学处理、上浆剂施覆处理、协同处理后的碳纤维制备的复合材料层间剪切强(ILSS)度分别提高了89.8%、139%、156.6%;协同处理的效果要明显优于其它处理方法,为提高复合材料界面性能提供了新方法。

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