基于PIF制備一種高性能聚苯硫醚復(fù)合材料

周志純 趙丹萍 于躍 郭靜 張森*

(1.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院,遼寧 大連,116034;2.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司,遼寧 大連,116085)

聚苯硫醚復(fù)合材料(含質(zhì)量分數(shù)40%玻璃纖維,PPS/GF)具有高強度、高模量、很強的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定等很多優(yōu)良性能,但也存在缺陷,例如:韌性差、生產(chǎn)成本很高、著色困難、不易注射成型和熔融過程時極易發(fā)生氧化交聯(lián)等[1-3]。為克服這些缺點,擴大其應(yīng)用范圍,就必須要對其進一步改性。碳纖維(CF)增強復(fù)合材料近幾年應(yīng)用廣泛,在很多領(lǐng)域成為主要的承力原件[4]。

壓力誘導(dǎo)流動成型(PIF),即在一定溫度和一定壓力下,在壓力的誘導(dǎo)作用下,將樣品置于模具有限的空間中受力,讓樣品沿著單軸方向發(fā)生的玻璃態(tài)的流動[5]。對于半結(jié)晶性的高分子材料,利用該加工方法,能夠使分子內(nèi)部的片晶發(fā)生取向,球晶產(chǎn)生變形,進而增強材料的力學(xué)性能。

下面對碳纖維表面進行處理,加入PPS/GF復(fù)合材料中,最后采用壓力誘導(dǎo)流動成型(PIF)方法來調(diào)控PPS/GF/CF三元復(fù)合材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而提高復(fù)合材料的強度和韌性。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PPS/CF(CF質(zhì)量分數(shù)40%),1140A7,日本寶理公司;CF,和盛源碳纖維科技有限公司,經(jīng)過粉碎成短碳纖維,長徑比15～20;濃硝酸,科密歐化學(xué)試劑有限公司；聚酰亞胺,景淼塑膠材料有限公司。

1.2 試驗儀器

單螺桿擠出機,RM-200C,哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責任公司;微機控制電子萬能試驗機,RGT-5,深圳市瑞格爾儀器有限公司制造;動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA),Q800 型,美國 TA Instruments 公司;差示掃描量熱儀(DSC),Q2000 型,美國 TA Instruments 公司;掃描電子顯微鏡(SEM),JSM—6380LV,日本電子株式會社;傅立葉紅外光譜分析(FT-IR),Nicolet 470 型,NICOLET公司。

1.3 試驗樣品的制備

1) CF的表面改性。在一定條件下用濃硝酸腐蝕CF表面,接著將CF質(zhì)量5%的聚酰亞胺加入處理好的CF中,混合均勻備用。2)復(fù)合材料的制備。將含有GF的PPS/CF按照表1的配方稱量,經(jīng)攪拌機高速混合,后單螺桿擠出,通過試驗室自制口模將擠出的壓條裁剪。3)復(fù)合材料PIF。將裁剪好的樣條放入試驗室自制模具中,預(yù)熱并保壓后取出。

表1 復(fù)合材料的配方

注:CF的含量以PPS/GF的質(zhì)量計算。

1.4 性能測試與表征

拉伸強度按GB/T 104—2006測試;彎曲強度按GB/T 934—2000測試;懸臂梁沖擊強度按GB/T 1843—2008測試。動態(tài)力學(xué)測試(DMA)采用三點彎曲模式,溫度掃描范圍為40～250 ℃,測試頻率1 Hz,升溫速度5 ℃/min。DSC測試為氮氣氛圍,首先以10 ℃/min從40 ℃升溫至350 ℃,再以10 ℃/min的速度降溫至50 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 短CF的表面改性

從圖1中可看出處理后的CF在2 923 cm-1和2 849 cm-1附近出現(xiàn)了新的吸收峰,對應(yīng)于—N—H的伸縮振動峰,判斷在CF的表面出現(xiàn)了氨基。 3 431 cm-1的吸收峰和處理后3 443 cm-1的吸收峰均為—OH的伸縮振動峰,來源于吸收空氣中的水。

圖1 表面處理前后碳纖維的偏振紅外光譜

圖2為復(fù)合材料的沖擊斷面形貌。觀察比較圖2中的照片形貌可知未經(jīng)PIF處理的樣品斷面比較光滑平整,而經(jīng)過PIF處理的樣品斷面呈現(xiàn)分層剝離的情形。一方面是由于PIF成型使材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而形成取向的多級薄弱界面,使多級層狀結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部有序排列,使得材料在斷裂過程中引發(fā)更多的裂紋擴展;另一方面是由于分子鏈段之間的相互作用,導(dǎo)致了斷面形貌出現(xiàn)這種獨特的情形,最終使復(fù)合材料的力學(xué)性能變得優(yōu)異。

圖2 復(fù)合材料的沖擊斷面形貌

2.2 復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

由圖3(a)和(b)可知,隨著CF含量的增加,PIF前后復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢,在CF質(zhì)量分數(shù)為0.5%時分別達到峰值44.74,362.33,50.47,408.11 MPa,導(dǎo)致這種變化趨勢的原因是CF的加入改變了基體的結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而影響了材料的力學(xué)性能,進一步說明CF的加入和PIF加工使復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度有所提升。從圖3(c)可以看出,隨著CF含量的增加,復(fù)合材料的沖擊強度呈現(xiàn)出小范圍的波動,在CF質(zhì)量分數(shù)為0.5%時達到峰值12.91 kJ/m2和14.35 kJ/m2,說明PIF加工后材料的沖擊性能提高了11.15%。綜上所述可以得出結(jié)論,CF的加入和經(jīng)過PIF加工后材料的強度明顯上升而韌性趨于穩(wěn)定,材料的綜合性有所提升。

圖3 PIF加工前后復(fù)合材料的力學(xué)性能與碳纖維含量之間的關(guān)系

2.3 熱力學(xué)性能分析

從圖4和圖5可以看出CF的加入以及經(jīng)過PIF成型加工前后,復(fù)合材料的熔融溫度和結(jié)晶溫度變化不大,這種結(jié)果表明復(fù)合材料內(nèi)部片晶厚度沒有較大的改變,而且復(fù)合材料開始熔融的溫度也向高溫方向偏移。在加熱區(qū)間內(nèi),未經(jīng)PIF加工的復(fù)合材料出現(xiàn)雙吸熱熔融峰,主要是因為材料內(nèi)部的晶體的尺寸存在較大差異,經(jīng)過PIF加工以后吸熱峰轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏?說明材料內(nèi)部的晶體變得均勻。這些現(xiàn)象都證明經(jīng)過PIF加工后,復(fù)合材料內(nèi)部的結(jié)晶形態(tài)更加有規(guī)律,材料的力學(xué)性能都會有所提高。

圖4 PIF加工前后復(fù)合材料的DSC分析

圖5 PIF加工后復(fù)合材料的DSC分析

2.4 動態(tài)力學(xué)性能分析

圖6(a)和圖7(a)顯示了不同CF含量下PPS基復(fù)合材料PIF成型前后儲能模量的溫度掃描曲線,可以看出,隨著CF含量的增加,材料的儲能模量呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢,在CF質(zhì)量分數(shù)為0.5%時達到峰值。通過比較可以看出,不同配比下的樣品經(jīng)過PIF成型后,都表現(xiàn)出比成型前更高的儲能模量,說明PIF成型加工方法能很好的提高材料的剛性。圖6(b)和圖7(b)所示,只存在一個主轉(zhuǎn)變峰,它顯示出復(fù)合材料中無定形區(qū)或非晶區(qū)部分的鏈段從凍結(jié)狀態(tài)到自由運動的轉(zhuǎn)變過程,即玻璃化轉(zhuǎn)變。對比圖6(a)和圖7(a)經(jīng)過PIF加工以后,所有樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都呈現(xiàn)出升高的趨勢,可以證明,PIF成型使材料內(nèi)部的自由體積減少,從而形成緊密規(guī)整的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致材料內(nèi)部的分子鏈以及鏈段呈現(xiàn)出松弛狀態(tài),材料將需要更大的作用力才能發(fā)生松弛,材料具有更好的強度;另一方面,松弛峰的強度也發(fā)生了改變,使得材料在發(fā)生斷裂前需要從外界吸收更多的能量,從而使材料有更好的韌性。

圖6 PIF加工前復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能

圖7 加工后復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能

3 結(jié)論

CF的加入提高了PPS基復(fù)合材料的強度和模量,而CF與基體的相容性的好壞也對材料的力學(xué)性能有很大影響,聚酰亞胺的加入則改善了CF與基體的相容性,改善了復(fù)合材料的性能;PIF成型方法的應(yīng)用,有效的提升了三元復(fù)合材料的強度和韌性,使多級有序的層狀結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)部普遍形成,緩解了應(yīng)力集中而導(dǎo)致的材料產(chǎn)生的破壞性的影響,進一步改善了復(fù)合材料的性能;通過試驗對比可以得出結(jié)論,當CF的質(zhì)量分數(shù)0.5%時,PIF成型的復(fù)合材料性能最佳,復(fù)合材料的拉伸強度達到362.33 MPa,彎曲強度達到408.11 MPa,沖擊強度達到14.35 kJ/m2,材料的綜合性能得到了明顯的提升。

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