建筑暖通用碳纤维/聚酰胺自增强复合材料的改性研究

蒋武衡，王利莉，胡 周

(广州科技职业技术大学，广东 广州 510550)

建筑暖通包括供暖、通风、空气调节等组成部分，涉及到公共设施系统、建筑热能供应系统和建筑节能设计等各个领域。对于建筑暖通用材而言，除需要考虑提高施工效率外，还需要考虑环保、综合力学性能、使用寿命等因素[2]，因此，现代建筑暖通用复合材料急需性能升级、生产成本控制等。虽然碳纤维及其复合材料在建筑、航空航天等领域有着广泛应用，但是生产成本高、界面性能差和不容易回收等问题[3-5]，这在一定程度上仍然抑制了其发展和应用。因此，有必要从碳纤维表面改性以及复合材料制备工艺等角度出发改善纤维/基体的界面结合能力，为高强韧性碳纤维增强聚酰胺复合材料的制备与生产开发提供技术支撑。目前，国内外主要采用浸渍法、薄膜叠层法等来制备自增强复合材料，但存在复合材料中孔隙难以去除等问题，造成最终复合材料的韧性较差[6-7]。鉴于此，本研究基于降成本、提高性能等要求，尝试对碳纤维进行了不同表面改性处理，并研究了制备工艺(热压强度、热压温度)对聚酰胺自增强复合材料力学性能的影响，这有助于低成本、高界面性能的碳纤维增强聚酰胺复合材料的开发及其在建筑暖通中的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验过程中用到的原料与试剂：乙醇(分析纯)、丙酮(分析纯)、硝酸(工业纯)、T700碳纤维(CF)、WT012聚酰胺纤维-1(PF)、M-150聚酰胺共聚物(coPA)、分析纯过氧化氢(H2O2)(分析纯)、聚酰胺纤维-2(NPF)。

1.2 试样制备

将碳纤维置于丙酮溶液中精抛48 h后转入98 ℃恒温干燥箱中干燥后备用；将经过预氧化处理的碳纤维浸润到质量分数为5%的H2O2溶液中，超声氧化0.5 h后用去离子水清洗；然后转入98 ℃恒温干燥箱中干燥后备用。将经过预氧化处理的碳纤维在温度88 ℃、浓度为15 mol/L硝酸溶液中恒温氧化1.5 h，氧化过程中每间隔15 min转动1次，冷却后去离子水清洗；然后转入98 ℃恒温干燥箱中干燥后备用。

将M-150聚酰胺共聚物和WT012聚酰胺纤维-1共同置于78 ℃恒温干燥箱中干燥15 h，然后将体积分数为20%的混合物置于模具中进行热压成型，制备得到聚酰胺自增强复合材料(PF20/coPA)。热压压强分别为1、3、5、7和9 MPa，热压温度分别为170、180、190和200 ℃。

1.3 测试与表征

采用IT-500扫描电子显微镜观察碳纤维表面形貌；采用NICOLET IS50傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析碳纤维表面官能团组成[8]；根据GB/T 3354—1999《定向纤维增强塑料拉伸性能测试方法》，采用AI-7000拉伸试验机对碳纤维和复合材料的力学性能进行测试，温度为室温，测试速率为2 mm/min，取6根试样平均值作为结果。

2 结果与分析

2.1 表面处理工艺

2.1.1表面形貌

图1为不同表面处理工艺下碳纤维的表面形貌。

a-未处理；b-丙酮；c-硝酸；d-过氧化氢图1 不同表面处理工艺下碳纤维的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fiber under different surface treatment processes

从图1可以看出，未处理的碳纤维表面较为光滑、平整；经过丙酮预处理后，碳纤维表面形貌未见明显变化，仍然较为光滑；经过硝酸处理后，碳纤维表面可见局部凸起，呈现出不同尺寸的颗粒形态；经过过氧化氢处理后，碳纤维表面可见局部竖向沟壑、凸起。由此可见，经过硝酸处理和过氧化氢处理会对碳纤维表面形貌产生明显影响；而丙酮预处理后碳纤维的表面形貌与未处理时基本相同，且过氧化氢处理对碳纤维表面形貌影响最大。

2.1.2红外光谱分析

图2为不同表面处理工艺下碳纤维的FTIR图。

图2 不同表面处理工艺下碳纤维的FTIR图Fig.2 FTIR diagram of carbon fiber under different surface treatment processes

2.1.3室温力学性能

表1为不同表面处理工艺下碳纤维的室温力学性能。

表1 不同表面处理工艺下碳纤维的力学性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber under different surface treatment processes

由表1可知，对于未处理的碳纤维，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；经过氧化氢处理后，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；经过硝酸处理后，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为2 438 MPa、2.5%和201.6 GPa。由此可见，虽然经过硝酸处理和过氧化氢处理都会对碳纤维表面微观结构产生一定影响，但过氧化氢处理后碳纤维的抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量相较未处理碳纤维变化不大或略有降低，其中硝酸处理后碳纤维的力学性能降低较为明显。这主要是因为硝酸处理虽然会对碳纤维表面粗糙度产生影响，同时也会对碳纤维腐蚀更加严重；过氧化氢相对在碳纤维表面产生刻蚀和形成更多含氧官能团[10]，而不会产生严重腐蚀情况。

2.2 制备工艺

2.2.1压强的影响

图3为不同压强下聚酰胺自增强复合材料的应力-应变曲线；表2列出了压强对聚酰胺自增强复合材料拉伸性能的影响，热压温度设定为180 ℃。

表2 压强对聚酰胺自增强复合材料拉伸性能的影响Tab.2 Effect of pressure on tensile properties of polyamide self reinforced composites

图3 不同压强下聚酰胺自增强复合材料的 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites under different pressures

当压强为1 MPa时，聚酰胺自增强复合材料的抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为113.8 MPa、43.3%和417.7 GPa；随着压强增大，复合材料的抗拉强度和弹性模量先增后减，断裂伸长率先减后增，在压强为5 MPa时取得抗拉强度和弹性模量最大值，分别为141.7 MPa和943.4 GPa，此时复合材料的断裂伸长率为41.9%。这主要是因为当压强小于5 MPa时，聚酰胺自增强复合材料层间流动性较差，无法将碳纤维充分浸润，复合材料的致密性较差而降低了力学性能[11]；当压强大于5 MPa时，聚酰胺自增强复合材料会由于压强过大而使得碳纤维的排列发生偏移，影响了整体结构而造成力学性能降低[12]。聚酰胺自增强复合材料适宜的压强为5 MPa。

2.2.2温度的影响

图4为不同温度下聚酰胺自增强复合材料的应力-应变曲线；表3列出了温度对聚酰胺自增强复合材料拉伸性能的影响，热压压强设定为5 MPa。

图4 不同温度下聚酰胺自增强复合材料的 应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites at different temperatures

表3 温度对聚酰胺自增强复合材料拉伸性能的影响Tab.3 Effect of temperature on tensile properties of polyamide self reinforced composites

当热压温度为170 ℃时，碳纤维复合材的抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为124.4 MPa、42.8%和839.7 GPa；随着热压温度从170 ℃增至200 ℃，复合材料的抗拉强度和弹性模量先增后减，断裂伸长率先减后增而后又减，在热压温度为180 ℃时取得抗拉强度和弹性模量最大值，分别为141.7 MPa和943.4 GPa，此时复合材料的断裂伸长率为41.9%。这主要是因为当热压温度小于180 ℃时，聚酰胺自增强复合材料中的碳纤维还没有达到熔融峰，造成聚酰胺自增强复合材料的界面相容性较差[13-16]；当热压温度大于180 ℃时，聚酰胺自增强复合材料会由于温度过高而影响碳纤维稳定性，尤其是当热压温度为200 ℃时，复合材料中碳纤维会发生熔化并破坏取向[17-20]，整体力学性能反而降低。聚酰胺自增强复合材料适宜的热压温度为180 ℃。

3 结语

(1)未处理的碳纤维，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；经过过氧化氢处理后，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；经过硝酸处理后，抗拉强度、断裂伸长率和弹性模量分别为2 438MPa、2.5%和201.6 GPa；

(2)随着压强增大，复合材料的抗拉强度和弹性模量先增后减，断裂伸长率先减后增，在压强为5 MPa时取得抗拉强度和弹性模量最大值，分别为141.7 MPa和943.4 GPa，此时复合材料的断裂伸长率为41.9%；

(3)随着热压温度升高，复合材料的抗拉强度和弹性模量先增后减，断裂伸长率先减后增而后又减，在热压温度为180 ℃时取得抗拉强度和弹性模量最大值。