表面处理剂对碳纤维复合材料力学性能的影响.pdf

２０１４年第８期玻璃钢／复合材料表面处理剂对碳纤维复合材料力学性能的影响高泉喜，郑威，孔令美，齐燕燕（中国兵器工业集团第五三研究所，济南２５００３１）摘要：用丙酮萃取了Ｔ７００碳纤维织物的表面处理剂，分析了处理剂的主要成份，考察了丙酮萃取次数与碳纤维表面处理剂含量之间的变化规律，采用真空辅助灌注成型＿Ｔ－艺制备了带有不同含量处理剂的碳纤维增强乙烯基树脂基复合材料，并对其力学性能进行了测试。结果表明，处理剂的主要成份为双酚Ａ环氧树脂，含量约为１．５％，碳纤维经丙酮萃取后表面粗糙度增加，增大了树脂的浸润性，其复合材料的力学性能尤其是弯曲强度得到显著提高。关键词：碳纤维；处理剂；丙酮萃取；力学性能；弯曲强度；界面中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１４）０８００１１０５碳纤维树脂基复合材料由于具有高强、质轻、电磁屏蔽、耐腐蚀等特点，在航空工程、石油化工、建筑工程等领域获得了广泛的应用＿ｌＪ。其中碳纤维在碳纤维树脂基复合材料中主要起增强的作用，碳纤维织物形式包括平纹、缎纹及双轴向等织物形式，目前使用的多为碳纤维平纹织物。在碳纤维织物生产过程中为了减少纤维起毛断丝，提高碳纤维的成束性，同时为了改善其工艺性，碳纤维需要进行上浆处理Ｊ，处理剂的种类和数量往往会影响其复合材料的性能。目前，碳纤维处理剂一般为环氧类树脂，适用于制造碳纤维增强环氧类复合材料，在复合材料成型过程中处理剂与树脂中的环氧类固化剂反应。对于碳纤维增强乙烯基树脂基复合材料已有研究，由于处理剂的存在，将对复合材料的力学性能产生不良影响。目前碳纤维处理剂在复合材料中的作用原理与规律尚不十分明确，因此，对碳纤维表面进行处理成为研究其复合材料性能的焦点。本文采用溴化钾压片法通过美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司的Ｎｉｃｏｌｅｔ－７５０型傅里叶变换红外光谱仪，对碳纤维处理剂的化学结构进行了分析，并采用丙酮萃取的方法测试了碳纤维处理剂的含量。通过对碳纤维处理剂的化学结构及含量的分析，确定采用丙酮萃取的方法去除处理剂，分析了丙酮萃取次数与碳纤维表面处理剂含量变化的规律，通过电镜实验分析了丙酮萃取处理前后碳纤维的表面形貌，分析了其界面形貌的变化对复合材料力学性能的影响，为碳纤维增强乙烯基树脂基复合材料的研究提供了技术支持。１实验部分１．１实验材料碳纤维织物：１２Ｋ，Ｔ７００，日本Ｔｏｒａｙ公司；乙烯基酯树脂：上海上纬；常温固化剂：市售；中温固化剂：市售；促进剂：市售；丙酮：（ＣＲ级）市售；其中，碳纤维的基本性能见表１。表１碳纤维基本性能１．２实验设备电子秤：ＪＺＣ．电子计重秤，福州科迪电子技术有限公司；真空泵：２Ｘ８旋片式真空泵，山东博山真空泵厂；电子拉力试验机：Ｓｉｎｔｅｅｈ２／ＤＬ型，美国ＭＴＳ公司：—动态材料试验机：Ｉｎｓｔｒｏｎ、ＷＥｌＯＢ，英国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司；冲击试验机：ＣｈａｒｐｙＸＣＪ一５００型，河北承德材料试验机厂；傅里叶变换红外光谱仪：Ｎｉｃｏｌｅｔ－７５０型，美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司；收稿日期：２０１４－０３－２０本文作者还有薛亚娟。作者简介：高泉喜（１９６８～），男，高级工程师，主要从事复合材料的研究工作，ｇｑｘＯ００１＠１２６．ｃｏｍ。钳，／（：｜ｌ』８ｌ２表面处理剂对碳纤维复合材料力学性能的影响扫描电镜：ｓ－２５０，英国剑桥；索氏萃取器。１．３实验过程１．３．１碳纤维表面处理剂的获取将重量为的碳纤维称量好后用滤纸包好放入索氏萃取器，在２５０ｍｌ圆底烧瓶中导人５００ｍｌ试剂丙酮。装好萃取回流装置，加热回流３ｈ，冷却后取出碳纤维，在１００％烘箱中干燥１ｈ，称取经丙酮萃取后的碳纤维的重量，处理剂的含量为（Ｗ一）／×１００％。将萃取液中的丙酮真空干燥移除得到浅黄色的液体即为处理剂。１．３．２测试丙酮萃取时间与处理剂含量的变化规律采用１．３．１的方法准备５份碳纤维织物，按照每次加热回流２０ｍｉｎ，分别萃取１次、２次、３次、４次和５次，称取５份碳纤维织物，称取前后的重量变化。１．３．３对表面处理剂进行ＦＴＩＲ分析采用红外光谱分析法对实验１．３．１中从碳纤维织物表面获取的表面处理剂的成分进行分析。１．３．４碳纤维的ＳＥＭ表面形貌分析将用丙酮萃取处理前后的碳纤维表面，在扫描电镜（ｓ２５０，英国剑桥）下观察其表面形貌变化。１．３．５力学性能试样制备按照ＧＢ／Ｔ１４４７－２００５和ＧＢ／Ｔ１４４９．２００５的要求，分别以丙酮萃取时问为２０ｍｉｎ，次数为１次、２次、３次、４次和５次后的织物以及丙酮萃取前的碳纤维织物为增强体，以乙烯基树脂体系为树脂基体，采用ＶＡＲＩ工艺制备厚度为３±０．５ｍｍ的碳纤维增强乙烯基树脂基复合材料，利用水刀切割出拉伸和弯曲试验试样。１．３．６力学性能试样测试—按照ＧＢ／Ｔ１４４７２００５和ＧＢ／Ｔ１４４９．２００５，测试实验１．３．５制备的力学性能试样的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量。２结果与讨论２．１碳纤维织物表面处理剂含量的测试按照１．３．１的实验过程，通过丙酮萃取法，分别称取处理前后碳纤维织物的重量，按照公式（一）／Ｗ×１００％测量碳纤维织物表面处理剂的含量，其中，．为碳纤维织物原重，为丙酮萃取后碳纤维织物的重量。表２为碳纤维织物表面处理剂ＦＲＰ／ＣＭ２０１４，Ｎｏ。８的含量的测试结果。表２碳纤维织物表面处理剂的含量由表２可以看出，本试验中所用碳纤维表面的处理剂含量约为碳纤维总重的１．５％。２．２丙酮萃取时间与处理剂含量的变化规律碳纤维织物表面丙酮萃取次数与其表面所含处理剂含量变化的规律见表３。表３丙酮萃取次数与织物表面处理剂含量的测试结果ａ３４０ｇ３４０ｇ３４０ｇ３４０ｇ３４０ｇｂ３３７ｇ３３６ｇ３３５．５ｇ３３５ｇ３３５ｇＣ３ｇ４ｇ４．５ｇ５ｇ５ｇｄ０．８８％１．１８％１．３２％１．４７％１．４７％ｅ０．６２％０．３２％０．１８％０．０３％０．０３％注：ａ为碳纤维原重；ｂ为丙酮处理后碳纤维重量；ｃ为丙酮萃取出的处理剂重量；ｄ为丙酮萃取出的处理剂含量；ｅ为丙酮萃取后碳纤维织物表面处理剂含量。从表３可以看出，随着丙酮萃取次数的增加，碳纤维表面处理剂的含量逐渐减少，当丙酮萃取次数达到５次后，碳纤维表面处理剂的含量接近为零，表明碳纤维表面的处理剂已经几乎完全被清除。２．３碳纤维织物纤维表面处理剂的ＦＴＩＲ分析采用红外光谱分析法分析了碳纤维织物表面处理剂的成分。图１所示为碳纤维织物表面处理剂的红外光谱图。图１碳纤维织物表面处理剂红外光谱图２０１４年第８期玻璃钢／复合材料１５［３］笪有仙，孙慕瑾，增强材料的表面处理（五）［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００１，（２）：４６－５０．［４］邵友林，王伯羲．碳纤维的表面除胶及表征［Ｊ］．复合材料学报，２００２，１９（４）：２９－３２．［５］曹霞，温月芳，张寿春．耐温型碳纤维乳液上浆剂［Ｊ］．新型碳材料，２００６，２１（４）：３３７－３４３．［６］张焕侠，李炜，罗永康．碳纤维上浆工艺及其对碳纤维性能的影响研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（３）：４８－５１．［７］余木火，赵世平，滕翠青，韩克清，余奇平，顾丽霞．粘胶基碳纤维连续式电化学氧化表面处理（１）一碳纤维表面的物理化学性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０００，（１）：２３－２７．［８］贺福，杨永岗，王润娥．碳纤维表面处理对层问剪切断裂形貌的影响［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００２，２７（４）：２７－３０．［９］康勇，项素云，梁培亮，等．沥青基碳纤维表面复合处理的研究［Ｊ］．功能高分子学报，１９９９，１２（４）：４５０４５２．［１０］梅启林，袁露，王继辉，黄志雄．酸化处理对纳米碳纤维及其复合材料性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（１）：２３－２７．［１１］于运花，王成忠，杨小平，等．碳纤维／乙烯基酯树脂拉挤复合材料基体固化体系的研究［Ｊ］．北京化工大学学报，２００２，２９（３）：２８－３１．［１２］王玉果，王玉林，万怡灶．纤维表面处理对三维编织碳纤维环氧复合材料力学性能的影响［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２００１，２４（２）：４１－４４．［１３］张秀莲，徐志淮，李贺军．碳纤维表面处理对单向Ｃ／Ｃ复合材料强度的影响［Ｊ］．机械科学与技术，２００３，２２（３）：４８４４８６．［１４］刘丽，傅宏俊，黄玉东，等．碳纤维表面处理及其对碳纤维聚芳基乙炔复合材料力学性能的影响［Ｊ］．航空材料学报，２００５，２５（２）：５９－６２．［１５］卢锦花，李贺军，刘皓．碳纤维表面处理对２Ｄ碳／碳复合材料弯曲性能的影响［Ｊ］．材料工程，２００５，（０９）：３－６．［１６］吴庆，陈惠芳，潘鼎．碳纤维的表面处理［Ｊ］．化工新型材料，—２０００．２８（３）：１１１４．’’’’ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ０～ＩＲＥＡＩＭＥＴＡＧＥＮＴ０ＮＭＥＣＨＡＩＣＡＬＰＲ０ＰＥＲｌｌＥＳｏＦＣＡＲＢｏＮＦＩＢＥＲＣｏＭＰｏＳＩＴＥ———ＧＡＯＱｕａｎｘｉ，ＺＨＥＮＧＷｅｉ，ＫＯＮＧＬｉｎｇｍｅｉ，ＱＩｒａｎｙａｎ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ５３ｏｆＣｈｉｎａＮｏｒｔｈＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｊｉｎａｎ２５００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｅｔｏｎｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｇｅｎｔｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆＴ７００ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｆａｂｒｉｃ，ａｎｄｔｈｅｍａｊｏｒｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔａｇｅｎｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｅｒｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｔｉｍｅ—ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔａｇｅｎｔｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｆａｂｒｉｃｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎ—ｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔａｇｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｐａｒｅｄｂｙｖａｃｕｕｍａｓｓｉｓｔｅｄｒｅｓｉｎｉｎｆｕｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ（ＶＡＲＩ）—ｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔａ—ｇｅｎｔｓｗａｓＢＰＡｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ，ｗｉｔｈｃｏｎｔｅｎｔｏｆ～１．５％．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｆｔｅｒｓｏｌｖｅｎｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｍｒｏｖｅｄｔｈｅｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅｓｉｎｍａｔｒｉｘ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｔｒｅａｔｍｅｎｔａｇｅｎｔｓ；ｓｏｌｖｅｎｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｉｎｔｅｒ－ｆａｃｅＦＲＰ／ＣＭ：２０１４：Ｎｏ：８