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耐高温型环氧上浆剂乳液的制备及其对碳纤维的作用

作　者: 李晶波
导　师: 姜再兴
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 上浆剂耐高温多面体低聚倍半硅氧烷碳纤维
分类号: TQ342.742
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

碳纤维增强复合材料由于具有强度高、模量大、抗腐蚀性强、耐疲劳程度高、比重小、耐高温等优于其他纤维增强复合材料的特质，而被广泛应用于生产生活中的众多领域。随着航空航天、风能和汽车行业的发展，对耐高温型碳纤维增强复合材料的需求与日俱增，碳纤维增强聚合物基复合材料在高温下的应用成为继追求轻质要求后又一追求目标。碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料以其各种优异的性能被广泛地应用于航天器材料中，与其相匹配的环氧型上浆剂的耐热温度一般不超过180℃，而航空领域配备的材料多数需要耐受250℃以上的高温环境。目前，树脂基体和碳纤维增强体的耐热水平均可达到要求，复合材料整体耐热性很大程度上受限于碳纤维表面上浆剂的低耐热水平。因此，对耐高温型复合材料的研究直接指向为对耐高温型上浆剂的研制。本课题利用耐热性高、表面积大、活性基团多的多面体低聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxanes, POSS）改性水性环氧乳液，并对上浆剂的本体性能及对碳纤维的作用效果进行了测试表征。研究结果发现：环氧共混法制备的上浆剂稳定性最好、上浆涂覆有效地改善了碳纤维表面形貌、提高了碳纤维的表面能、增加了与树脂基体的浸润性、增强了碳纤维的力学性能；改性后的环氧乳液于氩气下在300℃左右才开始分解，三种POSS改性上浆剂制备的CF/EP单丝复合材料在280℃处理5h后的界面剪切强度仅分别降低了10.1%、7.3%和6.0%，在耐湿热老化性测试中，由于水热环境下湿气对界面的侵蚀界面剪切强度降低的程度增加，但干燥处理后可恢复部分性能，经0435型POSS改性的上浆剂涂覆的碳纤维与环氧的界面同样表现出最优的耐受性。本课题研究的耐高温型水性环氧上浆剂乳液，将有利于碳纤维增强环氧树脂基复合材料的应用在航空等领域的扩展。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 前言  9-11
    1.1.1 课题背景  9-10
    1.1.2 课题研究的目的与意义  10-11
  1.2 碳纤维用上浆剂研究进展  11-15
    1.2.1 上浆剂对碳纤维表面的改性  11-13
    1.2.2 耐高温型环氧上浆剂研究进展  13-14
    1.2.3 环氧型乳液上浆剂的研究进展  14-15
  1.3 多面体低聚倍半硅氧烷的研究概况及进展  15-18
  1.4 本文主要研究内容  18-20
    1.4.1 耐高温型环氧上浆剂乳液的制备及其性能的研究  18
    1.4.2 上浆剂对碳纤维及碳纤维单丝复合材料作用效果的研究  18-20
第2章实验部分  20-32
  2.1 实验原料及设备  20-22
    2.1.1 实验原料  20-22
    2.1.2 实验设备  22
  2.2 环氧上浆剂处理碳纤维的工艺  22-24
    2.2.1 环氧上浆剂乳液的配制  22-23
    2.2.2 碳纤维的上浆涂覆处理  23-24
  2.3 环氧上浆剂乳液性质的研究  24-25
    2.3.1 环氧上浆剂乳液的结构  24
    2.3.2 环氧上浆剂乳液的性能  24-25
    2.3.3 含 POSS 的环氧上浆剂最佳浓度的确定  25
  2.4 上浆剂处理的碳纤维及其复合材料性能的表征  25-32
    2.4.1 碳纤维单丝复合材料力学性能的表征  25-28
    2.4.2 碳纤维单丝复合材料耐高温性能表征  28-29
    2.4.3 碳纤维表界面性能表征  29-32
第3章含 POSS 的环氧上浆剂乳液的性能研究  32-41
  3.1 环氧上浆剂乳液本体性质的研究  32-39
    3.1.1 POSS 改性环氧乳液的红外光谱分析  32-33
    3.1.2 环氧上浆剂黏度分析  33
    3.1.3 环氧上浆剂 pH 值分析  33-34
    3.1.4 环氧上浆剂乳液稳定性研究  34-36
    3.1.5 POSS 改性环氧乳液的耐热性能研究  36-39
  3.2 含 POSS 环氧上浆剂最佳浓度的确定  39-40
  3.3 本章小结  40-41
第4章含 POSS 的环氧上浆剂对碳纤维表面及复合材料界面性能的影响  41-57
  4.1 上浆剂对碳纤维表面形貌的影响  41-45
    4.1.1 采用扫描电子显微镜观察上浆剂对碳纤维表面形貌的影响  41-43
    4.1.2 采用原子力显微镜观察上浆剂对碳纤维表面形貌的影响  43-45
  4.2 上浆剂对碳纤维单丝复合材料力学性能的影响  45-48
    4.2.1 上浆剂对碳纤维单丝复合材料界面性能的影响  45-46
    4.2.2 上浆剂对碳纤维拉伸强度的影响  46-48
  4.3 上浆剂对碳纤维单丝复合材料耐高温性能的影响  48-50
    4.3.1 上浆剂对碳纤维单丝复合材料的耐干热性能的影响  48-49
    4.3.2 上浆剂对碳纤维单丝复合材料的耐水煮性能的影响  49-50
  4.4 上浆剂对碳纤维浸润性能的影响  50-53
    4.4.1 上浆剂对碳纤维表面能的影响  50-51
    4.4.2 上浆剂对碳纤维单丝浸润性的影响  51-52
    4.4.3 上浆剂对碳纤维动态浸润性的影响  52-53
  4.5 上浆剂对碳纤维表面化学性能的影响  53-55
  4.6 本章小结  55-57
结论  57-58
参考文献  58-64
攻读硕士期间发表的论文  64-66
致谢  66

耐高温型环氧上浆剂乳液的制备及其对碳纤维的作用

内容摘要

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