关键词:
水性聚氨酯
热塑性复合材料
上浆剂
聚甲基丙烯酸甲酯
摘要:
碳纤维增强热塑性复合材料是碳纤维复合材料发展的一个重要方向,它相比于传统的热固性复合材料有着更好的韧性,具备快速成型、二次加工和可修复的能力,且易于回收再利用。但热塑性树脂的熔体粘度高,流动性差,与碳纤维复合成型时难以浸渍,而原位聚合的甲基丙烯酸甲酯兼具了热固性树脂的成型工艺和热塑性树脂的力学性能,是一种较为理想的热塑性复合材料基体树脂。但聚甲基丙烯酸甲酯树脂活性较差,和碳纤维表面结合弱,导致纤维/树脂界面易于脱粘,无法有效的传递应力,因此碳纤维/聚甲基丙烯酸甲酯界面性能成为制约聚甲基丙烯酸甲酯应用于碳纤维复合材料的关键因素。
针对以上问题,本文设计并制备了自乳化水性聚氨酯上浆剂,同时通过引入双键和接枝聚甲基丙烯酸甲酯的方式对聚氨酯进行改性,进一步提升碳纤维与聚甲基丙烯酸甲酯的界面结合强度,并对上浆剂的增强机理进行分析,探究影响上浆剂乳液性能和界面性能的影响因素。论文的主要研究成果如下:
(1)设计并合成了一种水性聚氨酯,由异佛尔酮二异氰酸酯和聚己二酸-1,4-丁二醇酯作为两种主要合成单体,引入二羟甲基丙酸作为亲水基团使其能自乳化。合成的聚氨酯重均分子量在15000~33000之间,聚氨酯分子量随着异氰酸酯指数(R值)的增加而增大,随着亲水单体含量的增加而减小;树脂热稳定性随分子量的增加而增大,5%热失重温度在220℃~300℃之间,具有优异的热稳定性。自乳化乳液的粒径随R值的增加而增大,随着亲水单体含量的增加而减少,乳液的Zeta电位随R值的增加而减少,随亲水单体含量的增加而增加,乳液在亲水单体含量为8.6wt%、R值为1的时候粒径最小,为33.1 nm,Zeta电位最高,为61.8 m V,乳液稳定性优异。上浆后碳纤维表面能为61.3 m J/m2,较未上浆碳纤维提升近100%。碳纤维/PMMA界面剪切强度为67.5 MPa,较未上浆碳纤维提升近90%。
(2)采用2-甲基-2-丙烯酸-2,3-二羟基丙基酯对自乳化聚氨酯进行改性,在聚氨酯中引入双键,甲基丙烯酸甲酯原位聚合时可以与上浆剂分子中的双键反应形成化学键连接。合成的反应型聚氨酯重均分子量在15000~22000之间,聚氨酯分子量随着改性单体含量的增加而增加。树脂乳化后随着改性单体含量的增加,乳液粒径增加,Zeta电位减小。上浆后碳纤维表面能随改性单体含量的增加而减小,碳纤维/PMMA界面剪切强度随改性单体含量增加而增加,含量6%时界面剪切强度达到78.9 MPa,较未上浆碳纤维提升了近122%,较未改性聚氨酯上浆剂上浆的碳纤维提升近17%。
(3)采用甲基丙烯酸甲酯对聚氨酯上浆剂进行接枝改性,使上浆剂树脂与基体树脂有更相似的结构,同时聚甲基丙烯酸甲酯更易于溶解在甲基丙烯酸甲酯单体中,固化后可以形成更有效的分子链缠结。接枝型聚氨酯的分子量在12000~22000之间,分子量随接枝量增加而增加。树脂乳化后随着接枝量的增加,乳液粒径增加,Zeta电位减小。接枝型聚氨酯上浆剂上浆后碳纤维表面能随接枝量的增加而减少,碳纤维/PMMA的界面剪切强度随接枝量的增加而增加,最高达到88.9 MPa,较未上浆碳纤维提升了近150%,较未改性聚氨酯上浆剂上浆的碳纤维提升近32%。