國(guó)儀量子掃描電鏡助力水性上漿劑在碳纖維改性方面的微觀結(jié)構(gòu)分析

雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（PPEK）是一種特種工程塑料，具有出色的耐熱性、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和耐化學(xué)性，這些特性使其在復(fù)雜摩擦環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，純PPEK的摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)較高，因此需要改善其摩擦性能。顆粒填充和纖維摻雜等方法可以有效提升其性能，其中短切碳纖維（SCF）因其出色的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和增強(qiáng)能力，被廣泛用于改性PPEK。然而，SCF的光滑表面和化學(xué)惰性導(dǎo)致樹脂對(duì)其的浸潤(rùn)性較差，這嚴(yán)重制約了CF/PPEK復(fù)合材料的發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，大連理工大學(xué)化工學(xué)院蹇錫高教授團(tuán)隊(duì)借助國(guó)儀量子掃描電鏡進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了一種新型環(huán)保水基上漿劑HPPAEN-COOH，具有優(yōu)異的耐熱性能（Tg = 253℃，T5wt% = 330℃）和良好的水溶液穩(wěn)定性，顯著增強(qiáng)了SCF與PPEK樹脂之間的界面結(jié)合能力。UCF/HPPAEN-COOH/PPEK復(fù)合材料的初始儲(chǔ)能模量為3.50 GPa，彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別為150.6 MPa和169.9 MPa，相較于UCF/PPEK，分別提高了25.9%、11.4%、8.4%。此外，復(fù)合材料的摩擦性能顯著提升，在干摩擦和三號(hào)噴氣燃料環(huán)境下的磨損系數(shù)較未改性材料分別降低了52.3%和46.3%。該研究以題為“A novel water-soluble sizing agent that enhances the interface and tribological characteristics of CF/PPEK composites "的論文發(fā)表在《Composites Part B》上。

水性上漿劑的制備

使用DHPZ、DHBA和DFBN作為原料，K2CO3作為鹽化劑，甲苯作為脫水劑，通過(guò)溶液縮聚合成了含羧基結(jié)構(gòu)的雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（PPAEN-COOH）。進(jìn)一步將上述產(chǎn)物中的氰基水解成為羧基，實(shí)驗(yàn)操作如下：將5g PPAEN-COOH樹脂粉末和200ml 6 mol/L KOH溶液置于三頸燒瓶中，設(shè)置冷凝回流裝置和機(jī)械攪拌裝置，在100℃條件下反應(yīng)8h。結(jié)束后，將溶液趁熱倒入燒杯中，并用稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH = 7，抽濾、洗滌、干燥后得到HPPAEN-COOH樹脂。溶解于100 mL 0.2 g/L KOH溶液中，在25℃下攪拌2小時(shí)后過(guò)濾去除雜質(zhì)，得到水性HPPAEN-COOH上漿劑。

圖1.上漿劑的制備及表征

復(fù)合材料的力學(xué)和熱性能

利用DMA對(duì)CF/PPEK復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量（E′）和損耗因子(tanδ)進(jìn)行測(cè)試。CF-COOH、CF-0、UCF分別代表用三種不同處理的纖維制備的PPEK復(fù)合材料，它們的初始儲(chǔ)能模量分別為3.50GPa、2.97GPa和2.78GPa，表明上漿劑有效改善了復(fù)合材料的界面性能。進(jìn)一步測(cè)試了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。CF-COOH/PPEK復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度分別為150.6MPa和169.9MPa，比UCF/PPEK復(fù)合材料（分別為135.2MPa和156.8Mpa）分別提升了11.4%和8.4%。利用激光導(dǎo)熱儀分析了UCF和CF-COOH復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。經(jīng)過(guò)上漿劑處理后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.288 W/(m·K)，比UCF的0.254 W/(m·K)提升了13.4%。這種出色的導(dǎo)熱性能有助于及時(shí)轉(zhuǎn)移摩擦熱，從而避免磨損加劇。

圖2.復(fù)合材料的力學(xué)和熱性能

復(fù)合材料的摩擦性能

在干摩擦條件下，三種材料的摩擦系數(shù)相近，然而CF-COOH/PPEK的磨損系數(shù)僅為2.23×10?1? m3/Nm，較UCF的4.68×10?1? m3/Nm降低了52.3%。在三號(hào)噴氣燃料潤(rùn)滑下，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)顯著降低，其中CF-COOH/PPEK的磨損系數(shù)為6.6×10?1? m3/Nm，比UCF降低了46.3%。在油介質(zhì)的作用下，摩擦轉(zhuǎn)移膜形成速度加快，因此三種材料的磨合期均較短，迅速趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HPPAEN-COOH上漿劑的應(yīng)用顯著降低了復(fù)合材料的磨損系數(shù)，顯示出在干摩擦和油潤(rùn)滑環(huán)境下的良好應(yīng)用前景。

圖3.復(fù)合材料的摩擦性能

復(fù)合材料的界面的界面強(qiáng)化機(jī)理與磨損表面形貌

進(jìn)一步利用SEM對(duì)不同潤(rùn)滑條件下的CF/PPEK復(fù)合材料的磨損表面形貌進(jìn)行了分析。在干摩擦條件下，未使用上漿劑處理的復(fù)合材料表面出現(xiàn)嚴(yán)重的基體剝落，且部分UCF在摩擦的過(guò)程中脫離出基體，裸露在外。這說(shuō)明PPEK對(duì)惰性的UCF表面附著力較差，這種界面缺陷容易引起應(yīng)力集中，從而加速磨損。而經(jīng)過(guò)上漿劑處理后的復(fù)合材料表面僅有輕微的劃痕，CF表面較為光滑且均勻包裹著一層樹脂，說(shuō)明纖維與基體的結(jié)合能力較強(qiáng)。總而言之，HPPAEN-COOH有效的阻止了纖維拔出，而且能夠及時(shí)傳導(dǎo)摩擦熱，使復(fù)合材料的摩擦機(jī)理由黏著磨損和疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的磨粒磨損。

圖4.復(fù)合材料的界面強(qiáng)化機(jī)理與磨損表面形貌

這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)的上漿劑能夠有效改善復(fù)合材料的界面性能和摩擦學(xué)性能，為高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研發(fā)及界面改性機(jī)制的微觀研究提供了新思路。