[發明專利]具有高抗沖擊韌性的CF/PPS復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010420328.4
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111393689B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 朱姝;周劍鋒;常艦;程超;任毅;王家鋒
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C08J5/06
• 分類號: C08J5/06;C08L81/02;C08K9/10;C08K9/00;C08K7/06
• 代理公司: 上海統攝知識產權代理事務所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發明涉及一種具有高抗沖擊韌性的CF/PPS復合材料及其制備方法，制備方法包括以下步驟：(1)將CF表面原有的上漿劑高溫分解；(2)在飽和水蒸氣環境中，對CF同時進行微波輻射和紫外光輻照，產物記為ACF；(3)將ACF浸入聚醚砜/二甲基甲酰胺后干燥，得到上漿碳纖維MCF；(4)將MCF與PPS材料疊層熱壓；(5)熱壓結束后50?70℃/min的速率降溫至一定溫度后，施加一定壓力并保載一段時間后卸壓；即得具有高抗沖擊韌性的CF/PPS復合材料；復合材料的拉伸強度為650?820MPa，拉伸模量為50?63GPa，層間剪切強度為60?80MPa，沖擊后的剩余壓縮強度為260?300MPa。本發明的方法特點為高效、環保、可實現規模化生產，制得的復合材料可替代金屬用于航空航天、機械、汽車和軌道交通、石油運輸等領域。

技術領域

本發明屬碳纖維增強聚苯硫醚(CF/PPS)復合材料技術領域，涉及一種具有高抗沖擊韌性的CF/PPS復合材料及其制備方法。

背景技術

近年來，熱塑性復合材料由于具有良好的可回收性、可二次加工性、高韌性、高比強度和比模量等優勢，受到廣泛關注。在各種熱塑性復合材料中，CF/PPS具有高剛度、高熱穩定性、耐化學腐蝕性等優異性能，有望作為結構材料，代替工藝成熟的金屬或熱固性復合材料，廣泛應用于航空航天、機械、汽車和軌道交通、石油運輸等領域。

然而，CF/PPS熱塑性復合材料的實際應用情況不容樂觀。主要問題兩方面：第一是PPS非常脆，和其他熱塑性基體相比抗沖韌性較差；第二是碳纖維與PPS基體的界面相互作用較弱、浸潤性很差，在復合材料成型加工過程中容易產生孔隙。界面弱的根本原因是CF呈較穩定的六元環結構，表面由非極性的且由高度有序的石墨基面構成，使得纖維表面含有較少的活性官能團，而PPS熔體粘度高，因此碳纖維與PPS樹脂間浸潤性較差，界面粘結強度較弱。作為纖維與樹脂基體間載荷傳遞的紐帶，界面層的結合強度很大程度上影響整體復合材料的力學性能，低界面強度的復合材料在受到破壞時，裂紋沿界面擴展，纖維的增強作用得不到良好發揮，從而使復合材料強度遠低于理論值。

針對第一個PPS脆性的問題，已知技術為共混或共聚其它韌性強的高分子，但這通常帶來副作用，如降低材料的強度和模量。

針對第二個界面弱的問題，通常采用對CF進行表面改性處理的方法來解決，提高復合材料中纖維與基體之間的界面粘結強度。然而，界面增強往往帶來一個負面作用，即降低復合材料的抗沖擊韌性，如使抗沖擊韌性(CAI值)降低。

已知技術有兩類，一是“活化(有時也稱氧化)”，二是“上漿”。可以單一使用，也可組合疊加使用?；罨男缘脑硎窃诶w維表面引入活性官能團，增加纖維與聚合物基體間化學鍵或氫鍵的數量，通過強大的化學作用提高復合材料的界面粘結強度。上漿改性的原理是通過溶液或乳液涂層，使聚合物(可不同于基體)薄層附著到纖維表面，通過其同時與纖維和與基體間的強相互作用，在原本相互作用弱的纖維和基體間架起一座橋梁，增強兩者關聯性。

現有活化技術包括等離子體處理、陽極電解或電沉積處理、強酸處理、臭氧處理、微波超聲共處理等?；罨倪^程可能會降低CF單絲強度，需要尋找活性基團數量和CF單絲強度的平衡，讓CF表面產生盡量多的羥基和羧基等基團，產生盡量多的溝槽以便增加與基體間的接觸面積，但同時要盡量低程度損失單絲強度。

現有上漿技術包括反應型上漿劑和涂層型上漿劑等。

現有技術雖然在某些方面取得效果，但存在各種缺陷或不足，導致在針對PPS這種需要～400℃高溫成型加工的基體時，難以實現工業化生產。

如等離子體處理CF時，絲束外層與內層效果差異顯著，外層的活性基團多、單絲強度損傷很大時，內層CF的活性往往還未被改善。因此穩定性差，離散度大，不適宜工業化生產。

陽極電解或電沉積處理工藝處理絲束有效，但處理織物比較困難，單絲強度降低幅度較大。