耐高溫PPBES溶液型碳纖維上漿劑的制備及性能

潘曉彤，郭玉潔，潘雨曦，曾文廣，王程浩，李芳，陳博，蹇錫高，5，6

(1.大連理工大學(xué)化工學(xué)院高分子材料系，遼寧大連 116024； 2.精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024； 3.中國(guó)石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011； 4.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，烏魯木齊 830011；5.中國(guó)教育部先進(jìn)高分子及復(fù)合材料工程研究中心，遼寧大連 116024； 6.遼寧省高性能樹(shù)脂工程技術(shù)研究中心，遼寧大連 116024)

現(xiàn)如今，我國(guó)部分油田面臨特深、高溫高腐蝕等工況條件，金屬管材在使用的過(guò)程中常常發(fā)生腐蝕穿孔的問(wèn)題，對(duì)常用金屬管材在井下長(zhǎng)時(shí)間服役提出了巨大的挑戰(zhàn)[1]。為了解決井下高腐蝕環(huán)境的問(wèn)題，常規(guī)采用高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯作為內(nèi)襯式油管，雖然有很好的耐腐蝕性能，但受到其耐熱性能的影響，不能很好滿足在180 ℃以上的工作環(huán)境。研究表明，復(fù)合材料的耐熱性能是由基體樹(shù)脂決定的[2]，筆者所在課題組研發(fā)的新型含雜萘聯(lián)苯聚芳醚樹(shù)脂具有獨(dú)特的扭曲非共平面結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異耐熱性、高溫條件下力學(xué)性能保持率遠(yuǎn)高于聚醚醚酮等性能[3]。針對(duì)特深井下高溫高腐蝕的情況有著較好的適應(yīng)性。

碳纖維增強(qiáng)高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料相較于金屬合金材料，有著適用范圍廣、輕量化、可應(yīng)對(duì)環(huán)境種類更多等優(yōu)勢(shì)[4]，是在井下服役的最佳候選材料。碳纖維具有高比模量、質(zhì)輕、高比強(qiáng)度等優(yōu)異特性，兼具紡織纖維的柔軟可加工性，在汽車、航天、能源、體育等領(lǐng)域有著極廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主要增強(qiáng)纖維之一[5-8]。由于樹(shù)脂與碳纖維間界面作用及結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較大，特別是井下高溫高腐蝕環(huán)境下，所需碳纖維與基體樹(shù)脂的界面性能更要優(yōu)異，所以改進(jìn)纖維與樹(shù)脂間的界面作用成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外主要的碳纖維表面改性研究主要分為表面氧化法、涂層法、電化學(xué)聚合法等[9-15]。上漿法作為涂層法中的一種，其原理為在碳纖維表面包覆一層物質(zhì)，從而提升碳纖維表面活性基團(tuán)。優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單，上漿后在提高纖維表面活性的同時(shí)將對(duì)纖維損傷降到最低。從而成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)的表面改性方法[16-17]。Eyckens嘗試使用離子液體作為環(huán)氧基質(zhì)，離子液體擴(kuò)散到聚合物相并伴隨自團(tuán)聚會(huì)產(chǎn)生增塑的中間相，從而產(chǎn)生高剪切耐受性的材料[18]。Gargano論證了纖維上漿劑對(duì)碳纖維層壓板吸水性能有著降低作用，提高在海水中的耐久性[19]。Downey研究了將紫外線臭氧纖維表面處理與芳香族和脂肪族環(huán)氧纖維上漿相結(jié)合的方式對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行增韌，起到了良好的效果[20]。由于雜萘聯(lián)苯聚芳醚系列樹(shù)脂具有其他高性能熱塑性樹(shù)脂所不具有的溶解性。讓使用雜萘聯(lián)苯聚芳醚樹(shù)脂制備溶液上漿劑成為了可能[21-24]。

筆者從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，以提升雜萘聯(lián)苯聚芳醚砜(PPBES)/碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能和降低成本為目的，選擇溶液上漿劑對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性。研究不同溶劑條件下PPBES的溶解性，對(duì)比了不同濃度溶劑上漿劑對(duì)碳纖維表面改性及碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要原料

PPBES：數(shù)均分子量20 000 g/mol，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)=250 ℃，遼寧高性能樹(shù)脂工程技術(shù)研究中心；

碳纖維：T700 SC-12K，ρ=1.8 g/cm3，單絲平均直徑6.97 μm，日本東麗公司；

丙酮、氯仿：分析純，天津富宇精細(xì)化工有限公司；

二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)：分析純，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：5567 A型，英國(guó)英斯特朗公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WD-1型，長(zhǎng)春市智能儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：SU8220型，日本日立株式會(huì)社；

動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析(DMA)儀：Q800型，美國(guó)TA公司；

X射線光電子能譜(XPS)儀：ESCALAB XI+型，美國(guó)Thermo Fisher公司；

動(dòng)態(tài)接觸角分析儀：DCAT-21型，德國(guó)Data physics公司。

1.3 試樣制備

(1)溶液上漿劑溶劑的確定與去除。

研究PPBES在實(shí)驗(yàn)室常用溶劑中的溶解性，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1可以看出，PPBES在室溫下在NMP和氯仿中溶解度較高，隨著溫度的升高，在DMAc中的溶解度有著明顯的升高，但溶解的效率仍不如NMP和氯仿。在實(shí)際生產(chǎn)中，提高上漿溫度需要提高成本，所以優(yōu)先選擇常溫時(shí)也有良好溶解性的NMP和氯仿。

表1 PPBES的溶解性測(cè)試結(jié)果

連續(xù)纖維在進(jìn)行上漿操作的過(guò)程中，往往處于非密閉的環(huán)境中。而氯仿自身沸點(diǎn)較低，具有良好的揮發(fā)性，會(huì)導(dǎo)致在上漿操作中由于氯仿自身的揮發(fā)導(dǎo)致溶液上漿劑的濃度發(fā)生改變，影響纖維上漿的效果，同時(shí)揮發(fā)出的氯仿對(duì)人體有較大的毒害作用，應(yīng)盡力避免。NMP有較高的沸點(diǎn)，上漿結(jié)束后存在不易脫除的問(wèn)題。綜合以上因素，溶劑選擇氯仿/NMP混合溶劑。

為進(jìn)一步探究氯仿/NMP混合溶劑中各組分的比例，通過(guò)配置不同組分比例的溶液，并將PPBES放置其中探究其溶解性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2。從表2可以看出，當(dāng)氯仿/NMP質(zhì)量比為2∶8時(shí)，PPBES的溶解性較高。此時(shí)，由于氯仿的含量較少，溶劑揮發(fā)對(duì)上漿劑溶液濃度影響較小。所以混合溶液所采用的比例為氯仿∶NMP=2∶8。

表2 PPBES在氯仿/NMP混合溶劑中的溶解效果

(2) 碳纖維溶液上漿工藝。

取適量PPBES樹(shù)脂，加入到配置好的混合溶劑中攪拌溶解，隨后使用磁力攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，最終獲得透明均勻的溶液即為溶液上漿劑。

將碳纖維沿同一方向在鐵框上進(jìn)行纏繞，制得分布均勻，無(wú)縫隙的碳纖維板。使用丙酮溶劑對(duì)碳纖維板進(jìn)行脫漿處理，隨后將碳纖維板放置于80 ℃鼓風(fēng)烘箱中將丙酮脫去。將制得的溶液上漿劑放于上漿槽中，對(duì)脫漿后的碳纖維進(jìn)行重新上漿，使用階梯升溫法對(duì)溶劑進(jìn)行脫除，最終獲得PPBES溶液上漿碳纖維。

(3) 連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制備。

制備復(fù)合材料的方法為溶液浸漬法，將PPBES樹(shù)脂在120 ℃條件下溶解于DMAc溶劑中，膠液濃度為13%，將膠液倒入膠槽中，并用前期獲得的碳纖維板浸漬在其中，待纖維被充分浸潤(rùn)后，將碳纖維板放入鼓風(fēng)烘箱中，使用梯度升溫法確保溶劑去除干凈。碳纖維板經(jīng)過(guò)裁剪后在模具中進(jìn)行鋪層，使用模壓法壓制PPBES/碳纖維復(fù)合材料單向板，其中碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，用于后續(xù)測(cè)試。

1.4 測(cè)試與表征

(1) 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度測(cè)試。

參考ASTM D790-2010標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試模式為三點(diǎn)彎曲，使用樣條的尺寸為80 mm×12.5 mm×2 mm，試樣的跨距為64 mm，壓頭的移動(dòng)速率為2 mm/min，測(cè)試溫度設(shè)置為25 ℃，五個(gè)樣條為一組，取平均值。

(2) 復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度(ILSS)測(cè)試。

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)于2015年10月獲批遼寧省向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變?cè)圏c(diǎn)專業(yè)，目前設(shè)置了工業(yè)自動(dòng)化儀表、測(cè)控系統(tǒng)兩個(gè)本科專業(yè)方向，具有“檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置”碩士學(xué)位授予權(quán)。按照遼寧省教育廳關(guān)于普通本科專業(yè)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的要求，學(xué)校測(cè)控專業(yè)首先明確了類型定位，完善了對(duì)接企業(yè)需求的應(yīng)用型專業(yè)體系。

參考ISO14130-1997標(biāo)準(zhǔn)，使用三點(diǎn)短臂梁彎曲法進(jìn)行測(cè)試，樣條尺寸為20 mm×6.5 mm×2 mm，跨距為5倍，載荷的加載速率為1 mm/min，測(cè)試溫度為25 ℃，5個(gè)樣條為一組，取平均值。計(jì)算時(shí)使用公式(1)計(jì)算復(fù)合材料的ILSS。

式中：ILSS為復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度，Pa；F為測(cè)試過(guò)程中施加在樣品上的最大載荷，N；b為測(cè)試樣品的平均寬度，mm；h為測(cè)試樣品的平均厚度，mm。

(3) 復(fù)合材料斷面SEM觀察。

采用SEM對(duì)復(fù)合材料斷面進(jìn)行觀察，測(cè)試前需對(duì)所有樣品進(jìn)行噴金處理，增加導(dǎo)電性。

(4) 復(fù)合材料DMA分析。

采用DMA儀，測(cè)試模式為單懸臂模式，樣條尺寸為35 mm×6 mm×2 mm，測(cè)試條件為空氣氣氛，測(cè)試頻率為1 Hz，溫度范圍為20～300 ℃，升溫速率3 ℃/min。

(5) 碳纖維表面XPS分析。

對(duì)碳纖維表面元素種類及含量進(jìn)行分析，使用Casa XPS軟件對(duì)譜圖進(jìn)行分峰擬合，得到最終圖譜。

(6) 碳纖維動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試。

測(cè)試方法為選用強(qiáng)極性的水與弱極性的二碘甲烷作為測(cè)試液體，碳纖維單絲垂直于液體表面并以0.05 mm/s的速度勻速進(jìn)入測(cè)試液體中，有效長(zhǎng)度為4 mm，得到碳纖維在不同測(cè)試液體中的動(dòng)態(tài)接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液上漿劑的性能研究

(1) 溶液上漿劑對(duì)纖維表面元素組成的影響。

為確定使用PPBES溶液上漿劑后纖維表面元素組成與含量的變化，分別對(duì)脫漿處理的碳纖維和經(jīng)過(guò)溶液上漿碳纖維進(jìn)行XPS分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1與表3。根據(jù)圖表中的信息可知，脫漿處理的碳纖維峰型有比較明顯的C1s和O1s峰，N元素的含量?jī)H有1.49%。經(jīng)過(guò)PPBES溶液上漿的碳纖維中，N1 s峰信號(hào)強(qiáng)度有明顯的提升，S2p峰開(kāi)始出現(xiàn)，這說(shuō)明纖維上的O，N，S元素質(zhì)量含量增加，其中，O元素的含量提升明顯，由9.76%提升到14.52%，N元素含量由1.49%提升到2.73%，S元素含量少量出現(xiàn)，為0.97%，證明PPBES溶液上漿劑已經(jīng)存在于碳纖維的表面。

圖1 碳纖維XPS分析譜圖

表3 不同碳纖維表面元素含量 %

為進(jìn)一步分析碳纖維表面經(jīng)過(guò)溶液上漿后官能團(tuán)的變化，對(duì)譜圖中C1s和O1s進(jìn)行分峰擬合，結(jié)果如圖2所示。圖2a與圖2b分別為脫漿碳纖維與PPBES溶液上漿碳纖維C1s分峰擬合，從圖中可以看出，上漿前碳纖維表面C元素表面主要為碳碳單鍵(284.4 eV)，碳氧單鍵(285.8 eV)和碳氧雙鍵(288.4 eV)，經(jīng)過(guò)上漿后出現(xiàn)了苯環(huán)連接碳碳單鍵(283.9 eV)，碳氮單鍵(285.0 eV)，碳氮雙鍵(287.0 eV)。圖2c與圖2d為脫漿碳纖維與PPBES溶液上漿碳纖維O1s分峰擬合，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)上漿后PPBES結(jié)構(gòu)中碳氧雙鍵(531.6 eV)峰出現(xiàn)在譜圖中，且峰面積明顯大于上漿前碳纖維表面O元素官能團(tuán)。通過(guò)XPS分析后，進(jìn)一步證明了經(jīng)過(guò)PPBES溶液上漿后，碳纖維表面上N，O，S元素含量增加，在碳纖維表面引入了一系列活性官能團(tuán)，提升了碳纖維表面活性。

圖2 譜圖分峰擬合曲線圖

(2)溶液上漿劑對(duì)纖維與基體樹(shù)脂浸潤(rùn)性影響。

碳纖維的表面自由能作為基體樹(shù)脂與纖維浸潤(rùn)性的重要影響因素，隨著表面自由能提升，浸潤(rùn)性越好，對(duì)浸潤(rùn)性研究可以進(jìn)一步證明上漿劑的作用。筆者使用測(cè)試?yán)w維在水與二碘甲烷中動(dòng)態(tài)接觸角的方法，通過(guò)公式(2)與(3)計(jì)算出上漿前后碳纖維的表面能，表4為水和二碘甲烷的屬性值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 水和二碘甲烷表面能數(shù)據(jù)

表5 PPBES溶液上漿前后接觸角與表面能

式中：γ1為測(cè)試液體的表面自由能，mJ/m2；γP1為測(cè)試液體的表面自由能的極性分量，mJ/m2；γd1為測(cè)試液體的表面自由能的色散分量，mJ/m2；γf為碳纖維的表面自由能，mJ/m2；γP f為碳纖維的表面自由能的極性分量，mJ/m2；γdf為碳纖維的表面自由能的色散分量，mJ/m2；θ為碳纖維在測(cè)試液體中的動(dòng)態(tài)接觸角，(°)。

從表4數(shù)據(jù)可知，上漿前碳纖維表面能為37.95 mJ/m2，上漿后為47.36 mJ/m2。經(jīng)過(guò)上漿操作，碳纖維在水中的動(dòng)態(tài)接觸角由70.63°降到56.21°，在二碘甲烷中動(dòng)態(tài)接觸角由52.78°下降到46.78°。說(shuō)明PPBES溶液上漿使碳纖維與基體樹(shù)脂浸潤(rùn)性提升，結(jié)合碳纖維表面元素組成可判斷，表面自由能提升原因?yàn)镻PBES中強(qiáng)極性基團(tuán)引入碳纖維表面，導(dǎo)致極性增強(qiáng)。

(3) 溶液上漿劑對(duì)纖維表面形貌的影響。

為進(jìn)一步觀察不同濃度PPBES溶液在碳纖維表面上漿的效果，通過(guò)SEM對(duì)不同處理方式的碳纖維進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，未上漿前的碳纖維表面較為光滑，經(jīng)過(guò)上漿后碳纖維表面樹(shù)脂較為明顯。當(dāng)上漿劑濃度為0.1%時(shí)，樹(shù)脂顆粒出現(xiàn)在碳纖維表面，分散較不均勻。當(dāng)上漿劑濃度為0.5%時(shí)，樹(shù)脂在碳纖維表面明顯增多；當(dāng)上漿劑濃為1.0%時(shí)，樹(shù)脂在碳纖維上分布較好，基本形成包覆狀態(tài)；當(dāng)上漿劑濃度為1.5%時(shí)，樹(shù)脂顆粒在纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象；當(dāng)上漿劑濃度達(dá)到2.0%時(shí)，樹(shù)脂顆粒附著分散性較差，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯增多，對(duì)上漿效果起到了負(fù)面的影響。綜上，上漿劑濃度在1.0%～1.5%時(shí)，樹(shù)脂在纖維表面的分散性能較好，在上漿操作中選擇此濃度范圍。

圖3 不同碳纖維SEM圖

2.2 PPBES/溶液上漿碳纖維復(fù)合材料的性能研究

(1) PPBES/溶液上漿碳纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

PPBES/碳纖維復(fù)合材料界面黏結(jié)強(qiáng)度是檢驗(yàn)溶液上漿劑效果的重要評(píng)判，通過(guò)將脫漿后碳纖維、自帶上漿劑碳纖維、不同濃度PPBES溶液上漿的碳纖維與PPBES樹(shù)脂制成復(fù)合材料，并對(duì)其彎曲強(qiáng)度進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同碳纖維處理方式時(shí)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度

從表6可以得到，使用脫漿后碳纖維的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最低，為1 614 MPa，未處理的碳纖維制成的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到了1 729 MPa。使用PPBES溶液上漿的復(fù)合材料隨著上漿劑濃度變化呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)上漿劑濃度為1.5%時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最高，為1 808 MPa，與脫漿后碳纖維相比提升了12.0%。同時(shí)，當(dāng)溶液上漿劑的濃度在1.0%～2.0%范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均高于未處理碳纖維制得的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度，這說(shuō)明PPBES溶液上漿劑能夠起到改善纖維與樹(shù)脂界面黏結(jié)的作用，且起到的作用要優(yōu)于市售碳纖維在復(fù)合材料體系中的作用。

(2) PPBES/溶液上漿碳纖維復(fù)合材料的ILSS。

為進(jìn)一步研究經(jīng)過(guò)溶液上漿后的碳纖維增強(qiáng)PPBES復(fù)合材料的界面性能，選用復(fù)合材料的ILSS這一評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出，復(fù)合材料ILSS的變化趨勢(shì)與材料彎曲強(qiáng)度變化趨勢(shì)相仿，經(jīng)過(guò)脫漿的碳纖維制成的復(fù)合材料ILSS值為73.3 MPa，未處理的碳纖維的ILSS為75.9 MPa。使用PPBES溶液上漿劑的碳纖維ILSS值同樣有隨濃度變化先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)溶液濃度為1.5%時(shí)，ILSS值達(dá)到81.4 MPa，與脫漿碳纖維相比ILSS提升11.1%，與未處理碳纖維相比增強(qiáng)了7.2%。PPBES溶液上漿劑與樹(shù)脂基體聚合物分子相似，能夠有良好的交叉纏結(jié)作用，使不同層間的黏結(jié)強(qiáng)度提升。通過(guò)整合復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與ILSS判斷，PPBES溶液上漿劑對(duì)復(fù)合材料性能提升最大的最佳濃度為1.5%。

表7 不同碳纖維處理方式復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度

(3) PPBES/溶液上漿碳纖維復(fù)合材料界面強(qiáng)度。

當(dāng)纖維與樹(shù)脂之間的界面強(qiáng)度較大時(shí)，二者之間會(huì)形成較強(qiáng)的相互作用，靠近碳纖維的聚合物分子鏈會(huì)受到限制，鏈段運(yùn)動(dòng)變得困難，進(jìn)而聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)有所提高。通過(guò)DMA分析可以反映復(fù)合材料Tg變化及模量的變化，對(duì)脫漿碳纖維與經(jīng)溶液上漿的復(fù)合材料進(jìn)行DMA分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料的DMA測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出，含未上漿碳纖維復(fù)合材料的Tg為214 ℃，含未處理碳纖維的復(fù)合材料的Tg為217 ℃，使用PPBES溶液上漿劑上漿后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的Tg為223 ℃。而在室溫下的儲(chǔ)能模量也有明顯變化，從脫漿后碳纖維的18.4 GPa提升至經(jīng)過(guò)溶液上漿碳纖維的24.5 GPa，升高了33.2%。通過(guò)分析材料的損耗因子(Tanδ)曲線，發(fā)現(xiàn)使用溶液上漿的復(fù)合材料的Tanδ明顯低于脫漿碳纖維與未處理碳纖維的復(fù)合材料，從0.38下降到0.33。這是因?yàn)闇囟仍诮咏鼜?fù)合材料樹(shù)脂基體的Tg時(shí)，界面作用越強(qiáng)對(duì)纖維附近樹(shù)脂分子鏈的限制作用越強(qiáng)，更體現(xiàn)維持為剛性，進(jìn)而損耗因子會(huì)減小。綜上可以證明PPBES溶液上漿劑的使用增強(qiáng)了復(fù)合材料中碳纖維與樹(shù)脂基體間的界面強(qiáng)度。

(4) PPBES/溶液上漿碳纖維復(fù)合材料斷面形貌。

將經(jīng)過(guò)彎曲強(qiáng)度測(cè)試與層間剪切后的斷面用SEM觀察，分別觀察垂直與平行碳纖維的斷面，如圖5所示。從彎曲強(qiáng)度測(cè)試后斷面形貌圖中可以看出，未處理的碳纖維與樹(shù)脂基體間存在間隙，在層間也出現(xiàn)了斷裂，而經(jīng)過(guò)溶液上漿后的碳纖維與樹(shù)脂基體之間聯(lián)系較為致密。

圖5 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度及ILSS測(cè)試后斷面形貌

進(jìn)一步通過(guò)經(jīng)過(guò)剪切強(qiáng)度測(cè)試的斷面進(jìn)行分析，碳纖維表面上黏附的樹(shù)脂較少，溶液上漿后的碳纖維表面黏附樹(shù)脂較多，說(shuō)明碳纖維與樹(shù)脂界面作用較好。綜上，PPBES溶液上漿劑對(duì)碳纖維與樹(shù)脂之間的界面強(qiáng)度起到增強(qiáng)的作用。

3 結(jié)論

通過(guò)確定合適溶劑配制PPBES溶液上漿劑，并使用溶液上漿劑對(duì)碳纖維進(jìn)行上漿操作，進(jìn)而制成PPBES/碳纖維復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行XPS分析，碳纖維表面的N，O，S元素含量增加，說(shuō)明PPBES溶液上漿劑在碳纖維表面引入了一系列活性官能團(tuán)，提升了碳纖維表面活性，起到了改進(jìn)界面性能的作用。上漿劑對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)性也有明顯的提升，碳纖維在水中的動(dòng)態(tài)接觸角由70.63°降到56.21°，在二碘甲烷中的動(dòng)態(tài)接觸角由52.78°下降到46.78°。通過(guò)對(duì)上漿后的纖維使用SEM進(jìn)行觀察，當(dāng)上漿劑溶液最佳濃度在1.0%～1.5%之間時(shí)，碳纖維表面能夠形成較均勻的樹(shù)脂膜，當(dāng)濃度較低時(shí)，附著的樹(shù)脂顆粒較少，分布較不均勻；當(dāng)溶液濃度較高時(shí)，樹(shù)脂顆粒在表面出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，對(duì)上漿劑上漿效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

分別測(cè)試了使用不同上漿劑條件下復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、ILSS與界面強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)測(cè)試后的斷面形貌進(jìn)行SEM觀察。使用1.5%濃度的PPBES溶液上漿劑對(duì)復(fù)合材料相對(duì)脫漿碳纖維制成的復(fù)合材料性能的提升最大，彎曲強(qiáng)度和ILSS分別提升了12.0%與11.1%。當(dāng)溶液上漿劑濃度為1.0%～2.0%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與ILSS均高于使用市售上漿劑的復(fù)合材料。使用DMA測(cè)試，Tg從未上漿復(fù)合材料的214 ℃提升至使用溶液上漿劑復(fù)合材料的223 ℃。使用溶液上漿劑的復(fù)合材料損耗因子明顯低于脫漿碳纖維與未處理碳纖維的復(fù)合材料，從0.38下降到0.33。