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碳纤维“有机-无机”分层结构的构建及其对环氧树脂复合材料性能的影响
Construction of “organic–inorganic” hierarchical structure of carbon fibers and the effect on the properties of epoxy composites
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https://4spepublications.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.29155
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环氧树脂(EP)广泛应用于航空航天、汽车等领域，但存在着一定的缺陷，例如脆性大和热稳定性差等，这些问题极大地限制其进一步应用。为了充分发挥碳纤维(CF)作为增强体在聚合物中的作用，改善CF与聚合物之间的界面相容性,本研究将磺胺(SAs)和核壳式二氧化硅(SLC-SiO2)接枝到短切碳纤维(SCF)表面，改善了SCF和EP之间的界面性能。利用改性的SCF填充EP，制备了“有机-无机”分级结构的SCF/EP复合材料，并对复合材料的力学性能与导热性能的改善机制进行研究。
正文导读
近年来，各种方法被应用于提高CF表面活性，主要包括电沉积法、化学接枝法、化学气相沉积、表面氧化法和等离子体处理。本文通过粉碎机将长碳纤维粉碎为短切碳纤维（SCF，0.1-6 mm）。对SCF进行一系列表面改性后得到SCF@SAs@SLC-SiO2，工艺流程图如图1所示。然后将制备好的SCF@SAs@SLC-SiO2加入环氧树脂中进行固化，得到最终样品。
如图2所示，用扫描电子显微镜可以清楚地观察到SCF表面的形态和层次结构。图3a显示原始SCF存在沟槽，表面较浅且光滑。如图2b所示，硝酸处理后的 SCF 表面沟槽明显加深，表明硝酸与SCF之间发生了强烈的氧化反应。不难想象，SCF 表面的羧基和羟基等活性基团会增多，而带有两个氨基的SAs分子能与这些活性基团反应生成薄膜，进一步提高纤维的粗糙度（图 2c）。如图2c所示，这表明SAs已成功接枝。SLC-SiO2（核壳二氧化硅）与 SAs 表面的氨基进一步反应，从图 2d 中可以清楚地看到球形的 SLC-SiO2，这表明SCF已成功接枝了SAs和SLC-SiO2。它可以增加纤维与环氧树脂的比表面积，增强纤维与环氧树脂之间的机械互锁性。
如图 3 所示，SCF@SAs@SLC-SiO2 的元素分布图显示了 O、S、Si 元素的均匀分布。图 3a 是 SCF@SAs@SLC-SiO2 的扫描电镜图像，可以看到 SCF 表面有白色珠状颗粒，这就是 SLC-SiO2。图 3b-d 显示，O、S、Si 元素明显聚集在方框中，与图 3a 中的方框一致。这表明在 SCF 表面接枝了 SAs 和 SLC-SiO2。
为了研究SCF@SAs/EP和 SCF@SAs@SLC-SiO2/EP复合材料的机械性能，进行了拉伸和冲击试验。如图 4a 和图 4b 所示，改性 SCF/EP 复合材料的拉伸强度和冲击强度都呈现出相同的趋势，即随着改性 SCF 含量的增加而先增大后减小。改性 SCF/EP 复合材料的冲击强度和拉伸强度在 0.3 wt% 的 SCF@SAs 和 SCF@SAs@SLC-SiO2 时达到最大值。未添加改性 SCF 的 EP 的拉伸和冲击性能分别为 43.4 MPa 和 12.15 KJ·m-2。与EP相比，SCF@SAs@SLC-SiO2/EP复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提高了72.7%和 39.3%。此外，SCF@SAs@SLC-SiO2/EP复合材料的拉伸强度和冲击强度分别从SCF@SAs/EP复合材料的68.49 MPa和14.34 KJ·m-2提高到74.97 MPa和16.93 KJ·m-2，分别提高了9.5%和18.06%。
作者简介
1
韩辰：太原理工大学，研究生。研究方向：环氧树脂力学性能与导热性能
2
何宏伟：太原理工大学，副教授。研究方向：
1. 聚合物材料（塑料、橡胶）的结构设计和性能优化
2. 功能高分子材料
3. 固体废弃物的资源化利用
期刊简介
Polymer Composites 创刊于1980年，每年出版12期，是一本关注强化塑料和聚合物复合材料领域的工程和科学期刊，包括研究、生成、加工和应用方面的内容。期刊目前由Wiley出版和管理, 已被SCIE、SCOPUS、Ei-COMPENDEX、CAS等多个索引数据库收录。
2023 CiteScore (Scopus): 7.5
2023 Journal Citation Indicator (Clarivate): 0.84
2023 Journal Impact Factor (Clarivate): 4.8
期刊主页
https://4spepublications.onlinelibrary.wiley.com/journal/15480569
