建筑暖通用碳纖維/聚酰胺自增強復合材料的改性研究

蔣武衡，王利莉，胡 周

(廣州科技職業技術大學，廣東 廣州 510550)

建筑暖通包括供暖、通風、空氣調節等組成部分，涉及到公共設施系統、建筑熱能供應系統和建筑節能設計等各個領域。對于建筑暖通用材而言，除需要考慮提高施工效率外，還需要考慮環保、綜合力學性能、使用壽命等因素[2]，因此，現代建筑暖通用復合材料急需性能升級、生產成本控制等。雖然碳纖維及其復合材料在建筑、航空航天等領域有著廣泛應用，但是生產成本高、界面性能差和不容易回收等問題[3-5]，這在一定程度上仍然抑制了其發展和應用。因此，有必要從碳纖維表面改性以及復合材料制備工藝等角度出發改善纖維/基體的界面結合能力，為高強韌性碳纖維增強聚酰胺復合材料的制備與生產開發提供技術支撐。目前，國內外主要采用浸漬法、薄膜疊層法等來制備自增強復合材料，但存在復合材料中孔隙難以去除等問題，造成最終復合材料的韌性較差[6-7]。鑒于此，本研究基于降成本、提高性能等要求，嘗試對碳纖維進行了不同表面改性處理，并研究了制備工藝(熱壓強度、熱壓溫度)對聚酰胺自增強復合材料力學性能的影響，這有助于低成本、高界面性能的碳纖維增強聚酰胺復合材料的開發及其在建筑暖通中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗過程中用到的原料與試劑：乙醇(分析純)、丙酮(分析純)、硝酸(工業純)、T700碳纖維(CF)、WT012聚酰胺纖維-1(PF)、M-150聚酰胺共聚物(coPA)、分析純過氧化氫(H2O2)(分析純)、聚酰胺纖維-2(NPF)。

1.2 試樣制備

將碳纖維置于丙酮溶液中精拋48 h后轉入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用；將經過預氧化處理的碳纖維浸潤到質量分數為5%的H2O2溶液中，超聲氧化0.5 h后用去離子水清洗；然后轉入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用。將經過預氧化處理的碳纖維在溫度88 ℃、濃度為15 mol/L硝酸溶液中恒溫氧化1.5 h，氧化過程中每間隔15 min轉動1次，冷卻后去離子水清洗；然后轉入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用。

將M-150聚酰胺共聚物和WT012聚酰胺纖維-1共同置于78 ℃恒溫干燥箱中干燥15 h，然后將體積分數為20%的混合物置于模具中進行熱壓成型，制備得到聚酰胺自增強復合材料(PF20/coPA)。熱壓壓強分別為1、3、5、7和9 MPa，熱壓溫度分別為170、180、190和200 ℃。

1.3 測試與表征

采用IT-500掃描電子顯微鏡觀察碳纖維表面形貌；采用NICOLET IS50傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析碳纖維表面官能團組成[8]；根據GB/T 3354—1999《定向纖維增強塑料拉伸性能測試方法》，采用AI-7000拉伸試驗機對碳纖維和復合材料的力學性能進行測試，溫度為室溫，測試速率為2 mm/min，取6根試樣平均值作為結果。

2 結果與分析

2.1 表面處理工藝

2.1.1表面形貌

圖1為不同表面處理工藝下碳纖維的表面形貌。

a-未處理；b-丙酮；c-硝酸；d-過氧化氫圖1 不同表面處理工藝下碳纖維的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fiber under different surface treatment processes

從圖1可以看出，未處理的碳纖維表面較為光滑、平整；經過丙酮預處理后，碳纖維表面形貌未見明顯變化，仍然較為光滑；經過硝酸處理后，碳纖維表面可見局部凸起，呈現出不同尺寸的顆粒形態；經過過氧化氫處理后，碳纖維表面可見局部豎向溝壑、凸起。由此可見，經過硝酸處理和過氧化氫處理會對碳纖維表面形貌產生明顯影響；而丙酮預處理后碳纖維的表面形貌與未處理時基本相同，且過氧化氫處理對碳纖維表面形貌影響最大。

2.1.2紅外光譜分析

圖2為不同表面處理工藝下碳纖維的FTIR圖。

圖2 不同表面處理工藝下碳纖維的FTIR圖Fig.2 FTIR diagram of carbon fiber under different surface treatment processes

2.1.3室溫力學性能

表1為不同表面處理工藝下碳纖維的室溫力學性能。

表1 不同表面處理工藝下碳纖維的力學性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber under different surface treatment processes

由表1可知，對于未處理的碳纖維，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；經過氧化氫處理后，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；經過硝酸處理后，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為2 438 MPa、2.5%和201.6 GPa。由此可見，雖然經過硝酸處理和過氧化氫處理都會對碳纖維表面微觀結構產生一定影響，但過氧化氫處理后碳纖維的抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量相較未處理碳纖維變化不大或略有降低，其中硝酸處理后碳纖維的力學性能降低較為明顯。這主要是因為硝酸處理雖然會對碳纖維表面粗糙度產生影響，同時也會對碳纖維腐蝕更加嚴重；過氧化氫相對在碳纖維表面產生刻蝕和形成更多含氧官能團[10]，而不會產生嚴重腐蝕情況。

2.2 制備工藝

2.2.1壓強的影響

圖3為不同壓強下聚酰胺自增強復合材料的應力-應變曲線；表2列出了壓強對聚酰胺自增強復合材料拉伸性能的影響，熱壓溫度設定為180 ℃。

表2 壓強對聚酰胺自增強復合材料拉伸性能的影響Tab.2 Effect of pressure on tensile properties of polyamide self reinforced composites

圖3 不同壓強下聚酰胺自增強復合材料的 應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites under different pressures

當壓強為1 MPa時，聚酰胺自增強復合材料的抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為113.8 MPa、43.3%和417.7 GPa；隨著壓強增大，復合材料的抗拉強度和彈性模量先增后減，斷裂伸長率先減后增，在壓強為5 MPa時取得抗拉強度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時復合材料的斷裂伸長率為41.9%。這主要是因為當壓強小于5 MPa時，聚酰胺自增強復合材料層間流動性較差，無法將碳纖維充分浸潤，復合材料的致密性較差而降低了力學性能[11]；當壓強大于5 MPa時，聚酰胺自增強復合材料會由于壓強過大而使得碳纖維的排列發生偏移，影響了整體結構而造成力學性能降低[12]。聚酰胺自增強復合材料適宜的壓強為5 MPa。

2.2.2溫度的影響

圖4為不同溫度下聚酰胺自增強復合材料的應力-應變曲線；表3列出了溫度對聚酰胺自增強復合材料拉伸性能的影響，熱壓壓強設定為5 MPa。

圖4 不同溫度下聚酰胺自增強復合材料的 應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites at different temperatures

表3 溫度對聚酰胺自增強復合材料拉伸性能的影響Tab.3 Effect of temperature on tensile properties of polyamide self reinforced composites

當熱壓溫度為170 ℃時，碳纖維復合材的抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為124.4 MPa、42.8%和839.7 GPa；隨著熱壓溫度從170 ℃增至200 ℃，復合材料的抗拉強度和彈性模量先增后減，斷裂伸長率先減后增而后又減，在熱壓溫度為180 ℃時取得抗拉強度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時復合材料的斷裂伸長率為41.9%。這主要是因為當熱壓溫度小于180 ℃時，聚酰胺自增強復合材料中的碳纖維還沒有達到熔融峰，造成聚酰胺自增強復合材料的界面相容性較差[13-16]；當熱壓溫度大于180 ℃時，聚酰胺自增強復合材料會由于溫度過高而影響碳纖維穩定性，尤其是當熱壓溫度為200 ℃時，復合材料中碳纖維會發生熔化并破壞取向[17-20]，整體力學性能反而降低。聚酰胺自增強復合材料適宜的熱壓溫度為180 ℃。

3 結語

(1)未處理的碳纖維，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；經過過氧化氫處理后，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；經過硝酸處理后，抗拉強度、斷裂伸長率和彈性模量分別為2 438MPa、2.5%和201.6 GPa；

(2)隨著壓強增大，復合材料的抗拉強度和彈性模量先增后減，斷裂伸長率先減后增，在壓強為5 MPa時取得抗拉強度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時復合材料的斷裂伸長率為41.9%；

(3)隨著熱壓溫度升高，復合材料的抗拉強度和彈性模量先增后減，斷裂伸長率先減后增而后又減，在熱壓溫度為180 ℃時取得抗拉強度和彈性模量最大值。