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昂贵的碳纤维作为新型复合材料已被应用在高级汽车、航空航天等尖端产品领域,但其回收再生技术一直是个难题。对于回用的碳纤维,目前常用的方法是制成短切纤维再利用,但是在性能上没有竞争优势,使用的领域也有局限性。本论文考虑将碳纤维做成更具有优势的碳纤维增强体结构。碳纤维增强复合材料性能的提高依赖于界面结合强度的提高。控制界面结合强度的关键因素是对碳纤维进行表面处理,增加碳纤维表面有效官能团。所以本论文首先将碳纤维磨碎,先对其进行硝酸预处理,使碳纤维表面产生含氧官能团,然后再胺基功能化,采用溶液共混法将胺基化的碳纤维混入尼龙6(PA6)中,制得碳纤维/尼龙6复合纤维,并对复合纤维的性能进行了研究。得出结论如下:
当硝酸为浓度为14mol/L,处理时间为5 h,碳纤维表面的羧基质量分数最多,而且产生的刻蚀适当,并未改变碳纤维的内部微观结构,不会影响纤维的力学性能,适于后续的胺基化处理。
三种方法都成功地在碳纤维表面接枝胺基基团,并且胺基化处理接枝上的胺基基团主要以酰胺基的形式存在。碳纤维表面接枝胺基基团的质量分数由多到少分别为CF-NH2(Ⅲ)>CF-NH2(Ⅱ)>CF-NH2(Ⅰ)。经过处理后CF-NH2(Ⅱ)和CF-NH2(Ⅰ)表面形貌基本未发生改变,而CF-NH2(Ⅲ)表面产生的刻蚀较多。
制得的CF/PA6复合纤维的表面光滑,改性后的碳纤维与尼龙有更好的粘结性;加入了CF以后,CF/PA6复合纤维的熔点随着CF质量分数的增加基本不变,结晶度增加,结晶温度有所升高,对其晶型没有影响,同时增加了复合纤维的热稳定性;复合纤维的储能模量明显增大,玻璃化转变温度有所提高。纤维的断裂强度增加,断裂伸长率降低。当碳纤维的质量分数一定时(均为0.5wt%时),断裂强度由高到低分别为CF-NH2(Ⅲ)/PA6>CF-NH2(Ⅱ)/PA6>P-CF/PA6。CF-NH2(Ⅲ)/PA60.5wt%复合纤维的断裂强度高达5.50cN/dtex,比PA6纤维的断裂强度(4.44 cN/dtex)增加了24%。
本论文成功地在碳纤维表面接枝胺基,并将胺基化的碳纤维添加到尼龙6中制得复合纤维,胺基功能化碳纤维的加入有效地增加了复合纤维的热性能和力学性能。这为解决碳纤维的回收问题提供了新的研究方向。