PDA/Fe3O4上漿對碳纖維/聚酰胺6 熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

摘要：在碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中，碳纖維（CF）與熱塑性樹脂基體間的界面強(qiáng)弱對其整體力學(xué)性能有巨大的影響。為改善CF 與聚酰胺6（PA6）的界面性能，利用多巴胺（DA）的聚合與黏附特性，將納米相四氧化三鐵（Fe3O4）引入到CF 表面進(jìn)行協(xié)同修飾，通過簡單的浸漬共沉積，利用DA 的氧化自聚合在CF 表面構(gòu)建聚多巴胺/納米四氧化三鐵（PDA/Fe3O4）涂層。對CF 改性前后表面微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)特性進(jìn)行了表征，結(jié)果表明PDA/Fe3O4上漿劑能夠顯著提高CF 表面的粗糙度與化學(xué)活性，加強(qiáng)纖維與樹脂基體的機(jī)械嚙合作用與化學(xué)相互作用。與未改性CF/PA6 復(fù)合材料相比，制備得到的改性CF/PA6 復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度分別提高了30.8%和29.1%。

關(guān)鍵詞：碳纖維；聚酰胺6；聚多巴胺；納米四氧化三鐵；界面性能

中圖分類號：TB332；O3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-123-09

碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）具有高比強(qiáng)度、高比模量、輕量化、可回收利用等優(yōu)異性能，已廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、智能機(jī)械等行業(yè)[1-2]。聚酰胺6（PA6）成本低、易于加工、抗沖擊性能強(qiáng)，常被用作CFRTP 的基體材料，碳纖維增強(qiáng)聚酰胺6 復(fù)合材料在設(shè)備輕量化領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

在碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中，碳纖維（CF）與樹脂基體間的界面強(qiáng)弱決定了樹脂體能否有效地將應(yīng)力傳遞到碳纖維增強(qiáng)相。因此，纖維與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度決定了CFRTP 的力學(xué)性能[4]。未經(jīng)處理的碳纖維和熱塑性樹脂的低表面活性基團(tuán)使它們具有化學(xué)惰性和疏水性，因此，纖維和熱塑性樹脂基體之間的界面黏合強(qiáng)度通常較低[5]。目前，針對CF 與PA6 的界面結(jié)合問題，通過在纖維表面引入不同的活性納米填料來改善復(fù)合材料的界面性能是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，如Cheon 等[6]利用硅烷偶聯(lián)劑將多壁碳納米管（MWCNTs）用于修飾碳纖維表面，改善了CF 與PA6 基體之間的界面結(jié)合，提高了復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度；Ma 等[7]以六亞甲基二異氰酸酯三聚物（HDI）為偶聯(lián)劑將石墨烯（GO）接枝到氧化CF 表面，顯著提高了CF/PA6 復(fù)合材料的力學(xué)性能。與石墨烯和碳納米管相比，納米Fe3O4 作為成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，合成方式多，來源廣泛，較上述材料具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢，同時(shí)納米Fe3O4 是一種應(yīng)用前景廣闊的功能化材料，具有較大的比表面積與活性位點(diǎn)[8]，也具有極高的熱分解溫度，使其完全能夠適配CF/PA6 復(fù)合材料的生產(chǎn)過程。現(xiàn)階段關(guān)于納米Fe3O4 對纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料界面力學(xué)性能影響的研究較少，尤其是納米Fe3O4 對CF/PA6 復(fù)合材料界面力學(xué)性能的影響。

傳統(tǒng)的偶聯(lián)劑上漿方法引入納米粒子的方式需要在改性過程中執(zhí)行復(fù)雜的程序和嚴(yán)格的條件，會產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），如甲醇、乙醇等，不利于綠色可持續(xù)發(fā)展[9]，因此，迫切需要研究一種更加綠色便捷的方式將納米粒子均勻引入到CF 表面。作為一種仿生材料，多巴胺（DA）及其衍生物可以在極其溫和的條件下自聚合，并在大多數(shù)類型的基材上產(chǎn)生黏性聚多巴胺（PDA）[10]。聚多巴胺結(jié)構(gòu)中含有大量的—OH 與—NH2可以用于接枝反應(yīng)，是良好的二級反應(yīng)平臺[11]。筆者利用多巴胺的自聚合在CF 表面引入了聚多巴胺與納米Fe3O4涂層，采用一種綠色簡單溫和的方式對CF 表面進(jìn)行改性，制備得到改性CF/PA6 復(fù)合材料，使用SEM 與XPS 等手段研究了纖維表面的微觀與化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過彎曲試驗(yàn)和層間剪切實(shí)驗(yàn)研究了PDA/Fe3O4 上漿對CF/PA6 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

聚酰胺6（PA6）薄膜：中山市華億塑膠制品有限公司制（德國巴斯夫 B3S）；碳纖維織物：DSCCP-200，山東鼎晟復(fù)合材料有限公司制；鹽酸多巴胺：上海阿拉丁生化科技股份有限公司制，純度98%；三羥甲基氨基甲烷?鹽酸：上海阿拉丁生化科技股份有限公司制，純度99%；納米Fe3O4分散液：上海麥克林生化科技有限公司制，質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%。

1.2 儀器與設(shè)備

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上海予申儀器有限公司生產(chǎn)，型號DF-101S；真空干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號DZF-6050；掃描電子顯微鏡（SEM）：日本HITACHI 公司生產(chǎn)，型號TM4000Plus II；掃描電子顯微鏡（SEM）：日本HITACHI 公司生產(chǎn)，型號TM4000Plus II；X 射線光電子能譜儀（XPS）：美國Thermo Scientific 公司生產(chǎn)，型號K-Alpha；小型硫化機(jī)：上海德弘橡塑機(jī)械有限公司生產(chǎn)，型號XLB-D350；真空干燥箱：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號DZF-6020；成型模具：自主設(shè)計(jì)；電子萬能試驗(yàn)機(jī)：深圳市蘭博三思材料檢測公司生產(chǎn)，型號LD26-105。