超临界水处理及接枝对碳纤维性能的影响

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1、哈尔滨工业大学硕士学位论文超临界水处理及接枝对碳纤维性能的影响姓名：杨帆申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：孟令辉20050601啃尔滨工业大学T学碳士学位论文摘要碳纤维具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温等优异性能，因而作为增强材料在复合材料领域得到广泛应用。但是由于其表面光滑，活性官能团含量少，从而影晌了碳纤维与树脂之间的界面性能，因此对其进行表面改性是非常有必要的。本文对碳纤维进行丙酮一石油醚抽提后，采用超临界水氧化技术对碳纤维进行了表面改性：采用丙烯酸为接技单体，在经过超临界水处理后碳纤维上进行表面接枝处理。利用原子力显微镜(

2、AFM)对经过超临界氧化后碳纤维的表面形貌迸行了表征；采用x射线光电能谱技术(XPS)分析了改性前后碳纤维表面元素含量的变化，从而确定纤维表面超临界处理的机理；对处理前后的碳纤维制成的复合材料的层间剪切强度(ross)的变化进行了测试，并通过电子显微镜(SEM)研究了复合材料断口形貌的变化。对处理前后的碳纤维与树脂的界面傲了单丝拨出实验，对界面的强度(IFSS)的变化进行了测试。实验结果表明：对碳纤维采用丙酮．石油醚抽提，可以较彻底地清除碳纤维表面的环氧涂层以及物理吸附在其表面的杂质。而且抽提的过程中，碳纤维的表面形貌没有变化。超临界水处理碳

3、纤维会使碳纤维的复丝强度降低。降低程度随处理时阳J的延长而增大。复丝强度从原丝的4．04GPa降到处理1min后的3．924GPa，而后又降到处理20min后的3，351GPa。但是适当的处理可以提高纤维与树脂的界面强度。经超临界水处理1min后，可使IFSS从10．56MPa提高到26．55MPa；使ILSS从68．58MPa提高到71．07MPa。而过分延长处理时问反而不利于界面性能的提高。最佳的处理工艺是先用超临界水处理碳纤维5min，然后在3％的丙烯酸溶液中以70。C的温度反应接枝4小时。可以使处理后的碳纤维增强复合材料的ILSS从6

4、8．58MPa提高到76．34MPa，提高了11．31％。超l临界水处理可增加丙烯酸接枝的效果。与未经超临界水处理直接接枝丙烯酸相比，经过预处理的样品ILSS提高了近5％。关键词超临界水；接枝；碳纤维；环氧树脂坠查堡三兰奎兰三兰竺圭兰堡篁兰AbstractThecarbonfibershaveSOmanysuperiorproperties，suchashighspecificstrength，highspecificmodulus，corrosion—resistantpropertyandhightemperatureresistance

5、，thattheyareappliedincompositeasreinforcement．ButthesmoothingsurfaceandlowcontentofactivegroupsofCFrestricttheinterfacepropertiesoffiberandresin，SOthemodificationisveryessentialAfterextractionbyacetonethenbypetroleumester(60—90℃)，thesupercriticalwaterwasappliedasreactionmed

6、iumtostudythepossibilityofsurfacemodificationofCFwithsupercriticalwater(sew)．TheacrylacidwasusedasmonomerstograftonthecarbonfibertreatedbySCW．ThesurfacepatternofCFwasattributedbyAtomForceSpectroscopy(AFM)，andthesurfaceelementcompositeswasanalyzedbyX—rayphotoelectronspectros

7、copy(xPS)inordertodeterminethetreatmentmechanism．ThefracturepatternofthecompositeswasobservedbyScanningelectronicmicroscope(SEM)．Alsotheinterlamiarshearstrength(ILSS)ofthecompositeweretestedbythemeansofsingle-fiberpullout．Theexperimentalresultrevealsthatextractingcarbonfibe

8、rsbyacetone．petroleumethersystemCanremovethecoatingandalsotheimpuritybuthavenothin