碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺及其復(fù)合材料

1、第25卷第3期Vol125No13文章編號(hào):167322812(2007)0320363204材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)JournalofMaterialsScience&Engineering總第107期Jun.2007碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺及其復(fù)合材料宋艷江,王曉東,王偉,黃培(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,江蘇南京210009)【摘要】采用雙螺桿共混擠出法,在熱塑性聚酰亞胺(TPI)(,實(shí)驗(yàn)研究了碳纖維種類、:和高溫力學(xué)強(qiáng)度,;相對于模壓成型方法,(SEM)觀察到的材料拉伸和彎曲斷面的微結(jié)構(gòu)形貌,。【關(guān)鍵詞】;熱塑性聚酰亞胺;增強(qiáng);復(fù)合材料中圖分類號(hào):TB332文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ACarbonF

2、iberReinforcedTPICFCompositesSONGYan2jiang,WANGXiao2dong,WANGWei,HUANGPei(ChemistryandChemicalEngineeringInstitute,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)【Abstract】Thethermoplasticpolyimide(TPI)wasreinforcedbycarbonfiber(CF)usingdouble2screwextruder.TheeffectsofCFcontent,CFcategoryandmold

3、ingmeansonthemechanicalpropertiesofcompositewereinvestigated.TheresultsindicatethattheCFcouldobviouslyenhancethemechanicalstrengthofcompositeattheroomandorevaluatedtemperature,whichdependedontheCFcategory.TensileandFlexuralstrengthsincreasedwithincreaseofCFcontent.Comparedwiththecompressionmoldingme

4、thod,theTPICFcompositewithbettermechanicalperformancecouldbeobtainedbytheinjectionmolding.Thereinforcingmechanismwasalsodiscussedbasedonthemicro2structuresanalysisoftensileandflexuralfracturesurfacesbySEM.【Keywords】carbonfiber(CF);thermoplasticpolyimide(TPI);reinforce;composite入柔性鏈或線性鏈段結(jié)構(gòu)628,從而改善PI的

5、熱塑加工性能,但是,柔性鏈段的引入必然導(dǎo)致材料部分強(qiáng)度及高溫性能的下降,在一定程度上限制了其在高端領(lǐng)域(如:航空、航天)的應(yīng)用。碳纖維(CF)以其高比強(qiáng)度、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小以及自潤滑等優(yōu)異性能成為近年來最重要的增強(qiáng)材料之一。在聚合物基體中添加一定量的CF,可以大大提高材料各方面的力學(xué)性能及耐高溫性能,因此,采用CF復(fù)合改性聚合物基復(fù)合材料越來越受到國內(nèi)外各行各業(yè)的普遍關(guān)注,尤其是在特種工程塑料領(lǐng)域。有研究發(fā)現(xiàn)9211:在PI中添加一定組分的CF,材料的力學(xué)性能和耐高溫性能以及摩擦性能均有顯著提高;也有研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中纖維表面性質(zhì)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及纖維分布對復(fù)合材料力學(xué)性能有著非常重要

6、的影響。本文以TPICF復(fù)合材料為研究體系,考察了CF種類、1前言聚酰亞胺(PI)是一類以酰亞胺環(huán)為特征結(jié)構(gòu)的聚合物,這類聚合物具有突出的耐高溫性能、優(yōu)良的機(jī)械性能、電學(xué)性能、耐摩擦磨損性能及穩(wěn)定性。其各類制品廣泛應(yīng)用于航空、航天、電器、機(jī)械、化工、微電子等領(lǐng)域。但由于其傳統(tǒng)的環(huán)化結(jié)構(gòu)造成其制品性脆、加工成型困難,限制了其在諸多領(lǐng)域的廣泛使用。熱塑性聚酰亞胺(TPI)是在傳統(tǒng)的熱固性聚酰亞胺(PI)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有良好的熱塑加工性能的特種工程塑料之一,它不僅可采用熱固性PI的所有加工方式成型,還可采用適合于熱塑性塑料的擠出和注塑的方法成型,因此特別適于一次成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品,無需二次加工

7、,解決了傳統(tǒng)熱固性PI成型加工困難、產(chǎn)品形式單一等問題125。TPI往往是在合成PI的單體分子結(jié)構(gòu)中引收稿日期:2006208230;修訂日期:2006210216基金項(xiàng)目:江蘇省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(kjsmcx04001)作者簡介:宋艷江(1979-),男,博士研究生,主要從事聚合物復(fù)合材料研究。E2mail:lijianhuang1983。通訊作者:黃培(1967-),男,教授,主要從事功能高分子材料研究工作。E2mail:phuang。364材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2007年6月質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及成型工藝對復(fù)合材料常溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能的影響,并從微觀結(jié)構(gòu)上分析了CF增強(qiáng)增韌機(jī)

8、理。以看出,TPICF21復(fù)合材料注塑成型試樣的拉伸、彎曲及沖擊強(qiáng)度均大于模壓成型試樣,其拉伸、彎曲及沖擊強(qiáng)度分別是模壓成型試樣的1.7、1.4和1.3倍。2實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)原料3熱塑性聚酰亞胺(TPI)粉料,密度1350kgm,玻璃化溫度(Tg)260,由常州廣成新型塑料有限公司提供。碳纖維:PANEX35,美國Zoltek公司(CF21);TC12K35,臺(tái)灣塑料公司(CF22)。CF21242GPa,CF22267GPa。2.2試樣制備圖1CF21質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TPICF21復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig.1Mechanicalpropertiesvs.CF21contentcurvesof

9、TPICF21composites(TE235同向雙螺桿擠出機(jī),南京科亞科技發(fā)展有限公司)共混擠出,制得TPICF復(fù)合材料粒子,所得粒子經(jīng)注塑成型(SZL250注射成型機(jī),常州市天佳塑料機(jī)械有限公司)制得注塑標(biāo)準(zhǔn)測試樣條;復(fù)合材料粒子經(jīng)平板硫化機(jī)(QLB2D400×400平板硫化機(jī),上海昌源橡膠機(jī)械設(shè)備有限公司)模壓制得復(fù)合材料板材12,后機(jī)械加工制得標(biāo)準(zhǔn)測試樣條。2.3性能表征采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(CMT24204微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司)及沖擊試驗(yàn)機(jī)(ZBC24B擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī),深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司)對所制試樣進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊性能測試。測試標(biāo)

10、準(zhǔn)分別如下:拉伸強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn):GBT1642121996,彎曲強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn):GBT934122000,沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):GBT1642021996。并采用掃描電子顯微鏡(SEM)(FEI2QUANTA200型低真空掃描電子顯微鏡,美國FEI公司)觀察材料拉伸和彎曲斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)。圖2環(huán)境溫度對GCPITMCF21復(fù)合材料力學(xué)性能影響(CF21,30wt%)Fig.2Mechanicalpropertiesvs.testingtemp.curvesofTPICF21composites(CF21,30wt%)3結(jié)果討論3.1碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TPICF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響表1TPI及TPICF21

11、復(fù)合材料250下的力學(xué)性能Table1HightemperaturemechanicalpropertiesofTPIandTPICF21compositeat250TPICF,massfraction%TensilestrengthMPa40.2168.94FlexuralstrengthMPa23.2100.7圖1為CF21質(zhì)量分?jǐn)?shù)對TPICF復(fù)合材料拉伸及彎曲強(qiáng)度的影響。由圖可見:隨著CF21質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度顯著增大,當(dāng)碳纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%時(shí)材料拉伸和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到純樹脂的2.3和3倍。3.2碳纖維增強(qiáng)TPICF復(fù)合材料高溫力學(xué)性能CF21增強(qiáng)TPICF21(C

12、F21,30wt%)復(fù)合材料抗拉伸及抗彎曲強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的變化曲線見圖2,隨著環(huán)境溫度的升高,復(fù)合材料的力學(xué)性能下降緩慢,但相比于純樹脂,復(fù)合材料在250時(shí)仍保持著良好的力學(xué)性能。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù),當(dāng)測試溫度在250時(shí),復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度分別比純樹脂提高了0.7和3.3倍,顯著提高了材料的高溫使用性能。3.3成型方法對TPICF復(fù)合材料力學(xué)性能影響TPICF21(CF21,30wt%)復(fù)合材料試樣的成型方法對材3412CF,0%CF21,30%表2TPICF21復(fù)合材料注塑和模壓成型試樣力學(xué)性能Table2Mechanicalpropertiesofcompressionmoldinga

13、ndinjectionmoldingspecimensofTPICF21compositesTensileSpecimen3FlexuralstrengthImpactstrengthstrengthMPacompressionmoldingInjectionmolding100.7175.6MPa172.1248.5kJm-215.217.6料的力學(xué)性能也有著非常重要的影響。從表2中的數(shù)據(jù)可圖3分別為模壓和注塑成型試樣彎曲斷面SEM電鏡照片,照片a中試樣表面纖維呈無定向排列,樹脂基體斷裂表第25卷第3期宋艷江,等.碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚酰亞胺及其復(fù)合材料365面相對平整,留有裂紋沿纖維表面擴(kuò)展的

14、痕跡。相比較,照片b中纖維基本沿試樣斷裂表面垂直方向均勻分布,斷裂表面粗糙,有明顯的拉絲現(xiàn)象。結(jié)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析認(rèn)為:模壓成型試樣在受到彎曲應(yīng)力作用時(shí),由于與應(yīng)力方向垂直,阻止裂紋擴(kuò)展的纖維數(shù)量較少,這些纖維在受到應(yīng)力作用時(shí)很容易產(chǎn)生斷裂;外加纖維與樹脂間界面粘結(jié)性較差,裂紋擴(kuò)展遇到平行于受力方向的纖維時(shí),纖維則充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn),有利于裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此,此種材料在受到外界應(yīng)力作用時(shí)則表現(xiàn)出脆性和低的力學(xué)強(qiáng)度。相比較,注塑成型試樣受外力作用時(shí),由于大量垂直于應(yīng)力方向的纖維存在,纖維承擔(dān)了大部分外界應(yīng)力,復(fù)合材料性能最終表現(xiàn)為纖維斷裂或撥出需要吸收的能量。因此,此種。圖3TPICF21復(fù)

15、合材料模壓和注塑成型試樣彎曲斷面SEM照片F(xiàn)ig.3FlexuralfracturesurfaceSEMphotographsofTPICF21composites(a:Specimen3;b:Specimen4)3.4碳纖維種類對TPICF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響由于不同種類的碳纖維自身性質(zhì)(如:強(qiáng)度、表面性質(zhì)等)不同,因此其增強(qiáng)材料的力學(xué)性能也會(huì)存在差異。表3列出了兩種不同廠家型號(hào)的CF增強(qiáng)TPI復(fù)合材料及純樹脂的力學(xué)性能數(shù)據(jù),可看出兩種CF對TPI都具有明顯的增強(qiáng)增韌效果,但CF22的增強(qiáng)效果優(yōu)于CF21,拉伸和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到純樹脂的2.5和3.2倍;其沖擊強(qiáng)度達(dá)到CF21增強(qiáng)材料的1.

16、56倍。表3CF種類對TPICF力學(xué)性能影響Table3MechanicalpropertiesofTPICFcompositesTensileSpecimenstrengthFlexuralstrengthImpactstrength纖維承載了大量的拉應(yīng)力,并隨著應(yīng)力的增加,最終引起樹脂基體的屈服,產(chǎn)生銀紋,以至材料最后斷裂。因此,材料斷裂表面沒有纖維被拔出后留下的光滑的孔洞,而存在樹脂基體被連帶拉出后留下的韌窩,以及樹脂基體在拉伸后所產(chǎn)生的大量銀紋。相反CF21增強(qiáng)復(fù)合材料在拉伸過程中,纖維的存在充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn)誘發(fā)微裂紋(銀紋)的形成,吸收一定的能量,又由于纖維與樹脂間結(jié)合差,無法終止微裂

17、紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,從而最終發(fā)展成為破壞性裂紋,導(dǎo)致材料斷裂。因此,此種材料的強(qiáng)度主要表現(xiàn)為材料開裂及纖維撥出所消耗的能量,材料力學(xué)性能相對較低。結(jié)合表3中的力學(xué)性能數(shù)據(jù):CF22與TPI樹脂間界面相容性好,其相應(yīng)的復(fù)合材料則表現(xiàn)出的力學(xué)性能優(yōu)異。MPa567CF,0wt%CF21,30wt%CF22,30wt%77.1175.6192.5MPa82.5248.5265.5kJm-213.017.629.544結(jié)論1.碳纖維(CF)的加入能顯著提高熱塑性聚酰亞胺(TPI)的力學(xué)性能,并且隨CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的圖4列出了兩種CF增強(qiáng)TPI復(fù)合材料的拉伸斷面SEM照片,照片a21中材料表面存

18、在大量CF被撥出后留下的光滑齊整的孔洞,樹脂基體的斷面平整;而照片b21中基本沒有纖維被排出后留下的孔洞,而存在較大的壁面粗糙的孔穴,且樹脂基體斷裂表面粗糙,有明顯的拉絲現(xiàn)象。此外,照片a22纖維表面光滑,與樹脂基體間存在清晰的界面;而照片b22中纖維表面粗糙,明顯有樹脂基體粘附,且與樹脂基體間界面模糊。由圖4分析可知:CF22增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維與樹脂基體間相容性較好。在拉伸過程中,一方面纖維的存在充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn),另一方面,由于纖維與樹脂間界面黏結(jié)良好,力學(xué)性能顯著增大,當(dāng)CF21質(zhì)量份數(shù)為30%時(shí),材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度分別為純樹脂的2.3和3.0倍。2.碳纖維能顯著提高TPI的高溫力學(xué)性能,

19、250時(shí)TPICF21(30wt%)復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度分別比純樹脂提高70%和330%。3.試樣成型方法對CF增強(qiáng)TPI的力學(xué)性能也有著顯著的影響。TPICF21(7030)復(fù)合材料注塑成型試樣的拉伸、彎曲及沖擊強(qiáng)度分別為模壓成型試樣的1.7、1.4和1.3倍。4.碳纖維的種類不同,其增強(qiáng)TPI的效果也不同。CF22與TPI樹脂相容性好,其相應(yīng)的復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。此外,對耐高溫表面處理劑的開發(fā)也將是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域的重要的課題之一。366材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2007年6月圖4TPICF復(fù)合材料拉伸斷面SEM照片F(xiàn)ig.4SEMphotographsoftensilefracturesurfaceofTPICFcomposites(a:Specimen6,b:Specimen7)參(6):1924.考文獻(xiàn)17.7黃健,黃培,時(shí)鈞.一種均苯型可溶性聚酰亞胺的研究J.1黃棋尤.聚酰亞胺性能及其改性研究J.國外塑料,2003,2謝光賢.熱塑性聚酰亞胺J.絕緣材料通訊,1997,(4):19化工新型材料,2002,30(5):2831.8虞鑫海,胡志強(qiáng).新型聚酰亞胺的合成及其性能J.絕緣材料通訊,2000,(6):1012.9張德慶,魏月貞.碳纖維(CF)表面接枝對聚酰亞胺(PMR