基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料 在體育器材中的制備和性能研究

蔣瑩

摘 要：體育器材性能要求不斷提高，其中使用的材料直接決定著器材的使用效果。碳纖維材料已經(jīng)在體育器材中具有不錯的應(yīng)用效果，為了進一步提高該材料的性能，文章對其進行了改性研究，制備了一種基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料。通過掃描電子顯微鏡分析、傅里葉變換紅外光譜分析、拉伸強度和彎曲強度測試等實驗，研究復合材料的綜合性能。實驗結(jié)果表明，碳纖維經(jīng)過濃硝酸處理之后，能夠提高復合材料的綜合性能;濃硝酸處理時間不斷增加時，復合材料的拉伸強度提高，沖擊強度提高不明顯;碳纖維用量為7.5%時，復合材料的綜合性能最好。最后基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料能夠在體育器材中發(fā)揮不錯的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：碳纖維;聚酰胺;體育器材;性能分析

中圖分類號：TQ342+.742 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0067-04

Research on Preparation and Performance of Modified Carbon Fiber Composite Material Based on Polyamide in Sports Equipment

Jiang Ying

（Sports Department， Shaanxi Institute of Intrenational Trade and Commerce， Xi an 712046， China）

Abstract：The performance requirements of sports equipment are constantly improving， and the materials used directly determine the effect of the equipment. Carbon fiber materials have already a good application effect in sports equipment. In order to further improve the performance of this material， the paper conducted a modification study on it and prepared a modified carbon fiber composite material based on polyamide. Through scanning electron microscopy analysis， Fourier transform infrared spectroscopy analysis， tensile strength and bending strength testing and other experiments， the comprehensive performance of composite materials is studied. The experimental results show that after carbon fiber is treated with concentrated nitric acid， the comprehensive performance of the composite material can be improved; when the concentrated nitric acid treatment time continues to increase， the tensile strength of the composite material will increase， but the impact strength will not increase significantly;when the amount of carbon fiber is 7.5%， the overall performance of the composite material is the best.Finally， the modified carbon fiber composite material based on polyamide can play a good application effect in sports equipment.

Key words：carbon fiber; polyamide; sports equipment; performance analysis

碳纖維材料屬于一種無機高分子結(jié)構(gòu)，通過與其他材料結(jié)合形成一種復合材料能夠具有很好的綜合性能，比如纖維增強樹脂復合材料已經(jīng)在體育器材中應(yīng)用廣泛，隨著這些新型材料的不斷發(fā)展，體育器材的性能也在不斷增強[1-3]。使用碳纖維材料的最大優(yōu)勢在于強度高、質(zhì)量輕等[4-5]。聚酰胺具有加工流動性好、耐磨損、機械強度高等優(yōu)勢[6-7]。于是文章基于聚酰胺材料，制作改性碳纖維復合材料將這兩種材料進行結(jié)合使用，從而形成一種復合材料，這種復合材料的綜合性能將會進一步提高，所以文章通過實驗分析，研究了基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料的制備和性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗需要的主要材料有：聚酰胺、碳纖維、濃硝酸、過氧化氫溶液、偶聯(lián)劑等，其中濃硝酸的濃度為16mol/L。

實驗需要的主要儀器有：塑料注射成型機、數(shù)顯式電子萬能試驗機、復合式?jīng)_擊試驗機、微機差熱天平、掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜儀等。

1.2 試樣制備

首先需要對碳纖維材料進行預處理，其操作方式就是對碳纖維材料進行清洗，其中使用的清洗溶液為丙酮溶液和環(huán)己酮溶液，需要分別使用這兩種溶液對材料進行清洗，回流洗滌時間都是12h;完成之后將其取出，再使用去離子水洗滌干凈，最后將其放于烘干機中進行干燥，直至碳纖維材料的質(zhì)量恒定即完成預處理工作。

然后再對碳纖維材料進行液相氧化處理，使用的溶液為濃硝酸溶液介紹使用濃硝酸溶液的液相氧化過程：將上述完成預處理的材料放到通風廚中，取出一定量的濃硝酸對其進行進行氧化處理，在氧化過程中需要每隔20min對溶液進行搖晃一次，并且氧化溫度設(shè)置在80℃;完成該步驟之后進行冷卻處理，然后取出碳纖維，使用蒸餾水對其進行水洗，直至該材料為中性，然后烘干待用[8-9]。

最后就是制作基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料。首先將聚酰胺進行干燥處理，然后將其放入高速攪拌機中，并放入一定比例的抗氧劑和偶聯(lián)劑等，將這些材料混合均勻;然后使用包覆設(shè)備，將聚酰胺和碳纖維材料在230℃的環(huán)境下進行復合處理，再將其切粒備用;最后制備好的基于聚酰胺改性碳纖維復合材料顆粒在240℃的環(huán)境下注射成型，從而得到實驗所需要的試樣。

1.3 性能測試

1.3.1 傅里葉變換紅外光譜分析

基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料制作完成之后，其中碳纖維經(jīng)過預處理和濃硝酸處理之后，其表面會發(fā)生一定的變化，從而影響到復合材料的綜合性能。實驗中通過使用傅里葉變換紅外光譜分析儀對預處理和濃硝酸溶液處理的碳纖維進行分析，分析不同基團的特征峰波數(shù)的變化，并且判斷碳纖維表面基團之間的相互作用[10]。

1.3.2 X射線光電子能譜分析

文章使用X射線光電子能譜儀對經(jīng)過濃硝酸處理之后的碳纖維進行極化分析，從而分析碳纖維內(nèi)部基團的變化情況。

1.3.3 掃描電子顯微鏡觀察

實驗中制作的基于聚酰胺改性碳纖維復合材料中碳纖維經(jīng)過濃硝酸處理之后，復合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定變化，文章通過對復合材料使用掃描電子顯微鏡進行觀察，從而發(fā)現(xiàn)復合材料表面的變化情況，為了形成對比，將碳纖維沒有經(jīng)過濃硝酸處理的復合材料作為對比材料，然后研究兩種復合材料的顯微結(jié)果。

1.3.4 拉伸強度和彎曲強度測試

實驗中制得的復合材料是否具有一定的拉伸強度和彎曲強度，從而能夠滿足體育器材的應(yīng)用要求，于是實驗中需要對復合材料進行力學性能測試。所使用的儀器為數(shù)顯式電子萬能試驗機，然后按照GB/T1447-2005的標準進行實驗測試。為了得到更加準確的測量結(jié)果，實驗中每組設(shè)置5個試樣，從而取其平均值作為試樣的最終結(jié)果。

1.3.5 肖氏硬度測試

復合材料制作完成之后，需要應(yīng)用到體育器材中，如果該材料的硬度比較低，那么就會影響到應(yīng)用效果，所以實驗中通過使用D型肖氏硬度計對復合材料進行測試，從而得到復合材料的硬度值。

2 實驗結(jié)果

2.1 碳纖維含量對復合材料性能的影響

基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料在制作過程中會加入不同量的碳纖維，從而得到最優(yōu)的碳纖維含量能夠讓復合材料的整體性能更好，更能夠較好的應(yīng)用于體育器材制作中，于是文章分析了4種不同含量的碳纖維材料，分別為0%、5.5%、7.5%、10.5%，得到復合材料的拉伸強度、完全模量、模具收縮率、彎曲強度等性能結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，當碳纖維材料的摻入量不斷增加時，復合材料的彎曲強度的變化趨勢是先增加后降低，當其含量為7.5%時，復合材料的彎曲強度達到最大，而此時的拉伸強度也達到最大;另外，復合材料的彎曲模量變化趨勢同彎曲強度變化趨勢一樣，同樣是當碳纖維材料含量為7.5%時，復合材料的彎曲模量最大。因為在聚酰胺材料中加入一定量的碳纖維材料，該材料屬于一種分布均勻的材料，加入到聚酰胺材料中能夠構(gòu)成層層網(wǎng)絡(luò)，從而能夠維持復合材料的完整性，增強復合材料之間的連接性，從而有利于增加復合材料的綜合性能。所以能夠得出結(jié)論為當復合材料中的碳纖維含量為7.5%時，復合材料的綜合性能更強，應(yīng)用于體育器材中更為合適。

2.2 濃硝酸處理碳纖維時間對復合材料性能的影響

在制作復合材料過程中，會使用濃硝酸溶液對碳纖維材料節(jié)能型表面處理，其處理時間的長短會對復合材料性能造成影響，于是文章為了得到性能最優(yōu)的復合材料，對處理時間進行了分析。處理時間分別設(shè)置為15min、35min、65min、95min，將其中碳纖維材料的質(zhì)量設(shè)置為7.5%，然后其他條件保持不變，得到的結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，當處理時間不斷增加時，復合材料的拉伸強度和懸臂梁缺口沖擊強度都處于不斷上升的狀態(tài)，但是其上升不是非常明顯，而肖式硬度的變化更少。本實驗中處理時間最長為95min，因為如果時間過長，會增加碳纖維材料氧化時間，其表面會過度氧化，從而發(fā)生嚴重的腐蝕現(xiàn)象，所以就會降低基于聚酰胺改性碳纖維復合材料的綜合性能。所以能夠了解到濃硝酸處理時間對復合材料性能的影響非常小，除非處理時間特別長，此時復合材料的綜合性能將會降低。

2.3 復合材料紅外光譜分析

碳纖維經(jīng)過預處理和濃硝酸處理之后，其表面會發(fā)生一定的改變，本文通過傅里葉變換紅外光譜分析方式分析碳纖維材料經(jīng)過預處理和濃硝酸處理之后其表面官能團的變化。

2.3.1 預處理對碳纖維表面官能團的影響

將經(jīng)過預處理的碳纖維材料使用紅外光譜分析儀進行分析之后，得到如圖3所示的結(jié)果，圖中為了形成對比，將沒有經(jīng)過預處理的碳纖維材料作為對比分析。從圖3中可以看出，經(jīng)過預處理之后的碳纖維材料表面含氧基團出現(xiàn)明顯減少，從而經(jīng)過預處理之后可以將沒有經(jīng)過預處理的碳纖維表面雜質(zhì)去除，這些雜質(zhì)在實驗之前會因為各種原因而附著，雜質(zhì)中存在含氧基團，不能和碳纖維材料形成鍵合作用，自然就會降低改性碳纖維復合材料的粘接作用，從而影響到復合材料的性能。所以碳纖維材料經(jīng)過預處理有利于提高復合材料的性能。

2.3.2 濃硝酸處理對碳纖維表面官能團的影響

濃硝酸對碳纖維材料進行處理時，其表面一樣會發(fā)生變化，經(jīng)過紅外光譜分析儀檢測之后得到如圖4所示的結(jié)果，其中為了形成對比，將預處理的紅外光譜作為對照組。從圖4中的振動峰值可以看出，相比于預處理的結(jié)果，當使用濃硝酸對碳纖維處理之后，能夠引入-C=N等極性基團，于是可以提高碳纖維表面的極性，所以有利于提高碳纖維和聚酰胺之間的粘接。

2.4 X射線光電子能譜分析

碳纖維經(jīng)過濃硝酸處理之后，通過使用X射線光電子能譜分析碳纖維表面極化，得到如圖5所示的結(jié)果。經(jīng)過上述官能團的分析，能夠了解到經(jīng)過處理之后的碳纖維表面會引入相關(guān)的極性基團，有利于提高碳纖維表面極性，而且還有利于增加碳纖維表面積，所以能夠增加基于聚酰胺改性碳纖維復合材料的力學性能。從圖5中同樣可以看出，經(jīng)過濃硝酸處理之后的碳纖維材料引入了C=N、C=O等極性基團，該結(jié)論正好與上述傅里葉變換紅外光譜分析所得到的結(jié)論一樣，從而進一步驗證了碳纖維材料經(jīng)過濃硝酸處理之后，能夠較好的對碳纖維進行表面極化，從而增強復合材料在體育器材中的應(yīng)用效果。

2.5 掃描電子顯微鏡觀察分析

通過使用掃描電子顯微鏡觀察沒有經(jīng)過濃硝酸處理的復合材料和碳纖維經(jīng)過處理之后的復合材料，發(fā)現(xiàn)兩種之間的區(qū)別，結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，碳纖維沒有經(jīng)過處理之后所制得的復合材料表面存在很多的空洞，因為碳纖維沒有經(jīng)過氧化處理之后，其表面屬于惰性狀態(tài)，并且比較光滑，極性基團較少，也會引起表面能比較低，其粘接性能就會較差，最后形成的聚酰胺改性碳纖維復合材料內(nèi)部主要以機械作用、靜電作用實現(xiàn)界面結(jié)合，最終就會造成復合材料的力學性能較差。但是碳纖維經(jīng)過濃硝酸處理之后，最后制得的復合材料具有更大的黏附性，極性基團較多，有利于增強活性強度和碳纖維表面積，受到一定強度的影響之后，復合材料內(nèi)部之間會形成很好的粘接效果，于是就會極大的增強復合材料的力學性能，繼而有利于該復合材料在體育器材中應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

在體育器材中使用的材料性能要求越來越高，文章制備了一種基于聚酰胺的改性碳纖維復合材料，使用不同實驗方式對復合材料進行分析之后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過濃硝酸處理之后，碳纖維表面活性增強，能夠增強其粘接效果;濃硝酸處理時間對復合材料性能也會造成影響，當處理時間不斷增加時，復合材料拉伸強度提高，沖擊強度也出現(xiàn)小幅度上升，但是當處理時間過長之后，復合材料的綜合性能就會降低;在復合材料中使用質(zhì)量分數(shù)為7.5%的碳纖維材料有利于提高復合材料的綜合性能?？傊?，本文制備的基于聚酰胺改性碳纖維復合材料在綜合性能上有一定的提高，能夠在體育器材中發(fā)揮不錯的應(yīng)用效果。

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