PPTA-F/PSA復合材料制備及其性能研究

王 旭，鄒虹榮，謝 旺，劉立起，俞鳴明，肖 依

（上海大學 復合材料研究中心，上海 200072）

PPTA-F/PSA復合材料制備及其性能研究

王 旭，鄒虹榮，謝 旺，劉立起，俞鳴明，肖 依

（上海大學 復合材料研究中心，上海 200072）

采用熱壓工藝將不同配比的對位芳綸和聚砜酰胺制成PPTA-F/PSA復合材料，研究了PPTA-F質量分數對復合材料力學性能、結構和熱性能的影響，并對復合材料的拉伸斷口進行了微觀形貌分析。結果表明，隨著PPTA-F質量分數的增加，PPTA-F/PSA復合材料的力學性能有較小的損失，但復合材料的熱穩(wěn)定性增強。復合材料中纖維界面粘結良好是PPTA-F/PSA復合材料擁有較好力學強度的原因。

對位芳綸；聚砜酰胺；復合材料；制備；性能；研究

0 引言

隨著樹脂基復合材料的發(fā)展，樹脂基復合材料力學性能、耐高溫性能等得到綜合提升[1]，對耐高溫樹脂基復合材料的使用環(huán)境要求越來越苛刻?，F在對提高復合材料耐高溫性的研究主要有提高基體的耐熱性能和研制高性能耐熱增強纖維。PPTA-F具有高強度，高模量和耐高溫性，是現有高性能纖維中性能最好的有機纖維之一[2～3]，PPTA-F增強復合材料已經廣泛應用于航空航天、海洋、汽車、體育器材、國防等領域[4～5]。PSA-F是我國自行研究開發(fā)并且擁有唯一知識產權的芳香族聚酰胺類有機耐高溫纖維[6～7]，具有良好的熱穩(wěn)定性，阻燃性和耐熱性[8～10]。

汪曉峰[11]等以PSA粉末為原料制備耐高溫PSA板材。課題組在以前的研究中[12]以PSA為原料制備了聚砜酰胺基單聚合物（PSA SPCs），并發(fā)現PSA SPCs具有較好的熱穩(wěn)定性及耐熱性[13～14]。然而目前對聚芳酰胺基復合材料的研究鮮有報道。研究將PPTA-F為增強體，以熔融后PSA-F為基體制備復合材料，纖維混合分布均勻，其中PSA是關鍵，一方面是其高溫強度保持率高[15]，另一方面是其自增強特性使其成為復合材料基體材料。

實驗通過模壓工藝制備了PPTA-F/PSA復合材料，并對其力學性能、熱性能、結構以及微觀形貌進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PSA-F，特安綸TANLON?纖維短切T700，長度3 mm，上海特安綸纖維有限公司；

PPTA-F，泰普龍Taparan?，短切3 mm，煙臺泰和新材料股份有限公司；

無水乙醇，AR，國藥集團化學試劑有限公司；

去離子水，實驗室自制。

1.2 實驗主要儀器及設備

雙頻數控超聲波清洗器，KQ-300VDV，昆山市超聲儀器有限公司；

鼓風干燥箱，DHG-9075A，上海一恒科學儀器有限公司；

平板硫化機，QLB-25T，揚州市道純試驗機械廠；

萬能試驗機，MTS- CMT-4204，深圳新三思實驗儀器廠；

X射線衍射儀，D/MAX，日本理學電機；

鎢燈絲掃描電鏡，HITACHI SU-1500，日本HITACHI；

熱重分析儀，TA Q500 HiRes，美國TA儀器公司。

1.3 PSA-F及PPTA-F的清洗

PSA-F先在密封的無水乙醇中超聲清洗6 h，清洗溫度50 ℃，加熱功率100 W，再在去離子水中清洗30 min，最后置于80 ℃的鼓風干燥箱中干燥8 h，密封后備用。PPTA-F的清洗過程同上。

1.4 PPTA-F/PSA復合材料的制備

先將PPTA-F和PSA-F按照一定的質量比進行稱取混合，然后置于浙江榮浩工貿有限公司RHP-600型高速多功能粉碎機中開松打散，再將混合料放置在烘箱內，在105 ℃真空條件下干燥4 h脫氣處理。將混合料填充置自制的平板模具腔內，放入壓機中進行預熱（溫度范圍350～360 ℃），溫度穩(wěn)定后壓力加載至35 MPa，保持壓力15 min，自然冷卻后卸載壓力，脫模，將樣品取出。PPTA-F的質量分數分別為5%、12.5%、20%、30%和40%。

1.5 性能測試和結構表征

按照GB/T1447-2005，測試材料的拉伸性能，拉伸速率為1.0 mm/min，室溫；

按GB/T1448-2005 測試復合材料的彎曲強度，加載速度為1.0 mm/min，室溫；

和GB/T1449-2005測試復合材料的壓縮強度，加載速度為1.0 mm/min，室溫；

材料結構分析：X射線衍射分析，測試條件為銅靶輻射，λ為0.154 nm，輻射管電壓40 kV，輻射管電流100 mA，掃描范圍2θ為5°～60°，掃描速度2°/min；

熱重分析：在氮氣氣氛保護下，非等溫分解試驗，樣品質量為4.8～8 mg，升溫速率為10 ℃/ min，測試溫度25～700 ℃；

微觀形貌分析：拉伸測試后的試樣斷面進行噴金處理后，使用鎢燈絲掃描電鏡進行觀察。

2 結果與討論

圖1 PPTA-F質量分數對復合材料拉伸強度影響Fig.1 Effect of PPTA-F content on tensile properties of PPTA-F/PSA composites

2.1 PPTA-F質量分數對復合材料力學性能的影響

復合材料的力學性能如圖1～3所示，可以看出隨著PPTA-F質量分數的提高，復合材料的力學強度呈現一定的下降趨勢，其中拉伸強度、壓縮強度和彎曲強度分別最大損失為35.06%、24.25%和7.72%，但是復合材料依然擁有不錯的力學強度。分析其中的原因，高溫下PPTA-F的力學強度保持率較低，造成復合材料的力學性能有一定的損失。從圖1～2中，可以看出復合材料的拉伸強度和壓縮強度隨著PPTA-F質量分數的增加而逐步下降然后再上升再下降的趨勢，這是因為PPTA-F與PSA-F在進行混合時，攪拌的剪切作用雖然有利于纖維的分散，但PPTA-F之間的團聚較為明顯且這種作用會阻礙分散，而隨著PPTA-F質量分數的增加，團聚作用會逐漸增強，PPTA-F與PSA-F的之間的有效面積減少，這樣就不能對基體起到有效的增強，從而使復合材料的力學性能降低，而隨著PPTA-F質量分數的進一步提高，PPTA-F與PSA-F的混合均勻度會提高，復合材料的力學性能小幅度提高，但當PPTA-F質量分數超過一定值后，PSA-F熔融成樹脂后包裹PPTA-F的能力下降，最終復合材料的力學性能進一步降低。

從圖3中，可以看出復合材料的彎曲模量隨著PPTA-F質量分數的增加而提高，這是因為PPTA-F模量較高。PPTA-F質量分數為5%的復合材料的彎曲性能達到最大值127.22 MPa，這是因為PPTA-F完全均勻分散到了基體材料中，PPTA-F完全被熔融后的PSA-F樹脂包裹，界面黏結性能好。

2.2 XRD分析

圖4中可以看出復合材料在17°附近有較寬而弱的衍射峰，這是PSA的衍射峰[14]，PSA是三元無規(guī)聚合物。在43°附近的衍射峰表明復合材料制備過程中PSA-F之間相互粘結過程中發(fā)生物理化學變化，聚合物結晶度提高。在不同PPTA-F質量分數的PSA-F/PPTE復合材料的XRD圖中，在2θ=20.7°、23.2°和29.3°分別對應（100）、（200）和（004）晶面，前面兩個衍射峰隨著PPTA-F質量分數的提高而提高，而最后的衍射峰只出現PPTA-F質量分數在30%和40%的情況，表明復合材料制備工藝有利于PSA結晶度的提高。

2.3 TG分析

圖2 PPTA-F質量分數對復合材料壓縮性能的影響Fig.2 Effect of PPTA-F content on compressive properties of PPTA-F/PSA composites

圖3 PPTA-F質量分數對復合材料彎曲性能的影響Fig.3 Effect of PPTA-F content on flexural properties of PPTA-F/PSA composites

圖4 PPTA-F/PSA復合材料的XRD圖Fig.4 X-raydiffractionpatternofPPTA-F/ PSA composites

PPTA-F/PSA復合材料的熱分解過程可分為微量失重階段（25～430 ℃）、熱分解階段（430～650 ℃）和碳穩(wěn)定階段（650～700 ℃）。從表1和圖5可以進一步清楚的看到，隨著PPTA-F質量分數的增加，PPTA-F/PSA復合材料在受熱過程中最大失重速率對應的溫度由439.74 ℃提高到501.54℃，最大失重率由22.75%提高到56.94%。這表明適當質量分數PPTA-F的加入，提高了PPTA-F/ PSA復合材料的熱穩(wěn)定性。

表1 PPTA-F/PSA復合材料熱分解過程的物理參數Tab.1 Parametersof PPTA-F/PSA composites in the thermal decomposition

2.4 復合材料斷裂面的微觀形貌分析

圖6為PPTA-F質量分數為12.5%時復合材料拉伸斷口的SEM照片。由圖6-a可見，PPTA-F/PSA復合材料斷口留有大量纖維端頭，纖維的分布比較均勻，纖維隨機排列，箭頭1和2所指分別為PSA以及PSA與PSA的粘結，箭頭3和4分別為PPTA-F以及PPTA-F被PSA包裹粘結的情況，復合材料中纖維粘結緊密，且相當牢固。繼續(xù)放大倍數，如圖6-b所示，箭頭1、2和5分別為PSA和PPTA-F，箭頭3和4為PPTA-F與PSA粘結的情況，纖維之間不存在空隙。這說明復合材料內部粘結情況良好，是復合材料擁有一定力學性能的保證。

圖5 PPTA-F/PSA復合材料的TG圖(a)和DTG圖(b)Fig.5 TG and DTG curves of PPTA-F/PSA composites

圖6 PPTA-F/PSA復合材料拉伸斷口掃描電鏡照片Fig.6 Tensile fracture morphology of PPTA-F/PSA composites

3 結論

⑴ PPTA-F/PSA復合材料具有較好的力學性能，當PPTA-F質量分數為5%時，復合材料的彎曲強度達到最高127.22 MPa。

⑵ XRD和SEM測試分析表明，PPTA-F/PSA復合材料內部具有較好的粘結性，PPTA-F以及PSA結晶度有所提高。

⑶ PPTA-F/PSA復合材料熱穩(wěn)定性隨著PPTA-F質量分數的增加而增加。

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Preparation and properties of the composites of PPTA-F/PSA

WANG Xu, ZOU Hong-rong, XIE Wang, LIU Liqi, YU Ming-ming, XIAO Yi

( Research Center for Composite Materials, Shanghai University, Shanghai 200072 China)

Aramid fiber reinforced polysulfonamide based composites (PPTA-F/PSA composites), containing different mass fraction of PPTA-F, were fabricated by hot pressing process. The effect of PPTA-F contents on mechanical properties, structure and thermal properties were studied. The morphology of the tensile fracture surface of the composite was analyzed. It was found that the mechanical strength of PPTA-F/PSA composites slightly decreased with the addition of PPTA-F fiber, however the thermal stability of PPTA-F/PSA composites was enhanced. PPTA-F/PSA composites possess good mechanical strength due to fine interfacial bonding and adhesion.

PPTA-F; PSA; composite; structure; performance; research

TB35

A

1007-9815（2016）04-0028-04

定稿日期:2016-08-15

上海大學科技創(chuàng)新項目（D.11-0110-13-029）

王旭（1990-），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為高性能纖維復合材料，(電子信箱)MW_9CFRP11@ 163.com；通訊作者：劉立起，助理研究員，研究方向為高性能纖維、碳碳復合材料，(電子信箱)llq@shu.edu.cn。