建筑暖通用碳纤维_聚酰胺自增强复合材料的改性研究_蒋武衡.pdf

材料科技应用2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.014Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-06-17;修回日期:2023-02-06作者简介:蒋武衡(1982-)，男，讲师，主要从事空调材料等研究;E-mail:jwuh294126 com。基金项目:2022 广州科技职业技术大学校级科研(质量工程)项目(项目编号:2022ZR9)。引文格式:蒋武衡，王利莉，胡周 建筑暖通用碳纤维/聚酰胺自增强复合材料的改性研究 J 粘接，2023，50(2):57-60建筑暖通用碳纤维/聚酰胺自增强复合材料的改性研究蒋武衡，王利莉，胡周(广州科技职业技术大学，广东 广州510550)摘要:为开发建筑暖通用高综合性能建筑复合材料，研究了表面处理和制备工艺对碳纤维和聚酰胺自增强复合材料表面形貌、拉伸性能的影响。结果表明，经过硝酸处理和过氧化氢处理会对碳纤维表面形貌产生明显影响;而丙酮预处理后碳纤维的表面形貌与未处理时基本相同。过氧化氢处理后碳纤维的抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量相较未处理碳纤维变化不大或略有降低;而硝酸处理后碳纤维的力学性能降低较为明显。随着压强从 1 MPa 增至 9 MPa 或热压温度从 170 增至 200，聚酰胺自增强复合材料的抗拉强度和弹性模量先增加后减小，在压强为 5 MPa、热压温度为 180 时，聚酰胺自增强复合材料取得抗拉强度和弹性模量最大值，分别为 141 7 MPa 和 943 4 GPa。关键词:碳纤维;复合材料;表面处理;制备工艺;力学性能中图分类号:TQ342+742文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0057-04Property research on composite material of carbonfiber/polyamide for general building heatingJIANG Wuheng，WANG Lili，HU Zhou(Guangzhou Vocational University of Science and Technology，Guangzhou 510550，China)Abstract:In order to develop high comprehensive performance building composites，the effects of surface treatmentand preparation process on the surface morphology and tensile properties of carbon fiber and polyamide self rein-forced composites were studied The results showed that the surface morphology of carbon fiber was significantly af-fected by nitric acid treatment and hydrogen peroxide treatment，while the surface morphology of carbon fiber pre-treated with acetone was basically the same as that without treatment Compared with untreated carbon fibers，thetensile strength，elongation and elastic modulus of carbon fibers treated with hydrogen peroxide changed little or de-creased slightly，while the mechanical properties of carbon fibers treated with nitric acid decreased significantly Asthe pressure increased from 1 MPa to 9 MPa or the hot pressing temperature increased from 170 to 200，thetensile strength and elastic modulus of polyamide self reinforced composites first increased and then decreasedWhen the pressure was 5 MPa and the hot pressing temperature was 180，the maximum tensile strength and elas-tic modulus of polyamide self reinforced composites were 141 7 MPa and 943 4 GPa respectivelyKey words:carbon fiber;compound material;Surface treatment;Preparation process;mechanical property75材料科技应用建筑暖通包括供暖、通风、空气调节等组成部分，涉及到公共设施系统、建筑热能供应系统和建筑节能设计等各个领域。对于建筑暖通用材而言，除需要考虑提高施工效率外，还需要考虑环保、综合力学性能、使用寿命等因素2，因此，现代建筑暖通用复合材料急需性能升级、生产成本控制等。虽然碳纤维及其复合材料在建筑、航空航天等领域有着广泛应用，但是生产成本高、界面性能差和不容易回收等问题3-5，这在一定程度上仍然抑制了其发展和应用。因此，有必要从碳纤维表面改性以及复合材料制备工艺等角度出发改善纤维/基体的界面结合能力，为高强韧性碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备与生产开发提供技术支撑。目前，国内外主要采用浸渍法、薄膜叠层法等来制备自增强复合材料，但存在复合材料中孔隙难以去除等问题，造成最终复合材料的韧性较差6-7。鉴于此，本研究基于降成本、提高性能等要求，尝试对碳纤维进行了不同表面改性处理，并研究了制备工艺(热压强度、热压温度)对聚酰胺自增强复合材料力学性能的影响，这有助于低成本、高界面性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料的开发及其在建筑暖通中的应用。1材料与方法1 1材料与试剂试验过程中用到的原料与试剂:乙醇(分析纯)、丙酮(分析纯)、硝酸(工业纯)、T700 碳纤维(CF)、WT012 聚酰胺纤维 1(PF)、M 150 聚酰胺共聚物(coPA)、分析纯过氧化氢(H2O2)(分析纯)、聚酰胺纤维 2(NPF)。1 2试样制备将碳纤维置于丙酮溶液中精抛 48 h 后转入98 恒温干燥箱中干燥后备用;将经过预氧化处理的碳纤维浸润到质量分数为 5%的 H2O2溶液中，超声氧化 0 5 h 后用去离子水清洗;然后转入 98 恒温干燥箱中干燥后备用。将经过预氧化处理的碳纤维在温度 88、浓度为 15 mol/L 硝酸溶液中恒温氧化 1 5 h，氧化过程中每间隔 15 min 转动 1 次，冷却后去离子水清洗;然后转入98 恒温干燥箱中干燥后备用。将 M 150 聚酰胺共聚物和 WT012 聚酰胺纤维 1共同置于78 恒温干燥箱中干燥15 h，然后将体积分数为 20%的混合物置于模具中进行热压成型，制备得到聚酰胺自增强复合材料(PF20/coPA)。热压压强分别为 1、3、5、7 和 9 MPa，热压温度分别为 170、180、190 和 200。1 3测试与表征采用 IT 500 扫描电子显微镜观察碳纤维表面形貌;采用 NICOLET IS50 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析碳纤维表面官能团组成8;根据 GB/T 33541999定向纤维增强塑料拉伸性能测试方法，采用AI 7000 拉伸试验机对碳纤维和复合材料的力学性能进行测试，温度为室温，测试速率为 2 mm/min，取 6 根试样平均值作为结果。2结果与分析2 1表面处理工艺2 1 1表面形貌图1 为不同表面处理工艺下碳纤维的表面形貌。a 未处理;b 丙酮;c 硝酸;d 过氧化氢图 1不同表面处理工艺下碳纤维的表面形貌Fig 1Surface morphology of carbon fiberunder different surface treatment processes从图 1 可以看出，未处理的碳纤维表面较为光滑、平整;经过丙酮预处理后，碳纤维表面形貌未见明显变化，仍然较为光滑;经过硝酸处理后，碳纤维表面可见局部凸起，呈现出不同尺寸的颗粒形态;经过过氧化氢处理后，碳纤维表面可见局部竖向沟壑、凸起。由此可见，经过硝酸处理和过氧化氢处理会对碳纤维表面形貌产生明显影响;而丙酮预处理后碳纤维的表面形貌与未处理时基本相同，且过氧化氢处理对碳纤维表面形貌影响最大。2 1 2红外光谱分析图2 为不同表面处理工艺下碳纤维的 FTIR 图。图 2不同表面处理工艺下碳纤维的 FTIR 图Fig 2FTIR diagram of carbon fiber under differentsurface treatment processes85材料科技应用从图 2 可以看出，未处理的碳纤维在波数为3 431、2 360 cm1位置处分别出现了 OH 伸缩振动峰和=CCO 伸缩振动峰;经过丙酮处理的碳纤维的特征峰与未处理的碳纤维相似，这主要是因为丙酮预处理不会去除表面胶衣，也不会影响碳纤维的表面结构变化9;经过硝酸处理后碳纤维在波数 3 431、1 639 cm1位置处出现了 OH 处伸缩振动峰，在 2 360、1 384 cm1位 置 处 分 别 出 现 了=CCO 伸缩振动峰和 CH 变形振动峰;经过过氧化氢处理后碳纤维在波数 3 431、1 639、2 360、1 384和 1 050 cm1位置处分别出现OH、OH、=CCO、CH 和 CO 特征峰。由此可见，过氧化氢处理后碳纤维的表面含氧官能团最多、表面极性提高，有助于提升粘合性。2 1 3室温力学性能表 1 为不同表面处理工艺下碳纤维的室温力学性能。表 1不同表面处理工艺下碳纤维的力学性能Tab 1Mechanical properties of carbon fiber underdifferent surface treatment processes试样抗拉强度MPa断裂伸长率%弹性模量GPa未处理3 0862 9212 9过氧化氢处理2 9022 8211 4硝酸处理2 4382 5201 6由表 1 可知，对于未处理的碳纤维，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为 3 086 MPa、2 9%和2129 GPa;经过氧化氢处理后，抗拉强度、断裂伸长率和 弹 性 模 量 分 别 为 2 902 MPa、2 8%和211 4 GPa;经过硝酸处理后，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为 2 438 MPa、2 5%和 201 6 GPa。由此可见，虽然经过硝酸处理和过氧化氢处理都会对碳纤维表面微观结构产生一定影响，但过氧化氢处理后碳纤维的抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量相较未处理碳纤维变化不大或略有降低，其中硝酸处理后碳纤维的力学性能降低较为明显。这主要是因为硝酸处理虽然会对碳纤维表面粗糙度产生影响，同时也会对碳纤维腐蚀更加严重;过氧化氢相对在碳纤维表面产生刻蚀和形成更多含氧官能团10，而不会产生严重腐蚀情况。2 2制备工艺2 2 1压强的影响图 3 为不同压强下聚酰胺自增强复合材料的应力 应变曲线;表 2 列出了压强对聚酰胺自增强复合材料拉伸性能的影响，热压温度设定为 180。当压强为 1 MPa 时，聚酰胺自增强复合材料的抗 拉 强 度、断 裂 伸 长 率 和 弹 性 模 量 分 别