蔣武衡，王利莉，胡 周

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510550)

建筑暖通包括供暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)等組成部分，涉及到公共設(shè)施系統(tǒng)、建筑熱能供應(yīng)系統(tǒng)和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于建筑暖通用材而言，除需要考慮提高施工效率外，還需要考慮環(huán)保、綜合力學(xué)性能、使用壽命等因素[2]，因此，現(xiàn)代建筑暖通用復(fù)合材料急需性能升級(jí)、生產(chǎn)成本控制等。雖然碳纖維及其復(fù)合材料在建筑、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但是生產(chǎn)成本高、界面性能差和不容易回收等問題[3-5]，這在一定程度上仍然抑制了其發(fā)展和應(yīng)用。因此，有必要從碳纖維表面改性以及復(fù)合材料制備工藝等角度出發(fā)改善纖維/基體的界面結(jié)合能力，為高強(qiáng)韌性碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的制備與生產(chǎn)開發(fā)提供技術(shù)支撐。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用浸漬法、薄膜疊層法等來制備自增強(qiáng)復(fù)合材料，但存在復(fù)合材料中孔隙難以去除等問題，造成最終復(fù)合材料的韌性較差[6-7]。鑒于此，本研究基于降成本、提高性能等要求，嘗試對(duì)碳纖維進(jìn)行了不同表面改性處理，并研究了制備工藝(熱壓強(qiáng)度、熱壓溫度)對(duì)聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，這有助于低成本、高界面性能的碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的開發(fā)及其在建筑暖通中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)過程中用到的原料與試劑：乙醇(分析純)、丙酮(分析純)、硝酸(工業(yè)純)、T700碳纖維(CF)、WT012聚酰胺纖維-1(PF)、M-150聚酰胺共聚物(coPA)、分析純過氧化氫(H2O2)(分析純)、聚酰胺纖維-2(NPF)。

1.2 試樣制備

將碳纖維置于丙酮溶液中精拋48 h后轉(zhuǎn)入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用；將經(jīng)過預(yù)氧化處理的碳纖維浸潤(rùn)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2溶液中，超聲氧化0.5 h后用去離子水清洗；然后轉(zhuǎn)入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用。將經(jīng)過預(yù)氧化處理的碳纖維在溫度88 ℃、濃度為15 mol/L硝酸溶液中恒溫氧化1.5 h，氧化過程中每間隔15 min轉(zhuǎn)動(dòng)1次，冷卻后去離子水清洗；然后轉(zhuǎn)入98 ℃恒溫干燥箱中干燥后備用。

將M-150聚酰胺共聚物和WT012聚酰胺纖維-1共同置于78 ℃恒溫干燥箱中干燥15 h，然后將體積分?jǐn)?shù)為20%的混合物置于模具中進(jìn)行熱壓成型，制備得到聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料(PF20/coPA)。熱壓壓強(qiáng)分別為1、3、5、7和9 MPa，熱壓溫度分別為170、180、190和200 ℃。

1.3 測(cè)試與表征

采用IT-500掃描電子顯微鏡觀察碳纖維表面形貌；采用NICOLET IS50傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析碳纖維表面官能團(tuán)組成[8]；根據(jù)GB/T 3354—1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能測(cè)試方法》，采用AI-7000拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維和復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，溫度為室溫，測(cè)試速率為2 mm/min，取6根試樣平均值作為結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面處理工藝

2.1.1表面形貌

圖1為不同表面處理工藝下碳纖維的表面形貌。

a-未處理；b-丙酮；c-硝酸；d-過氧化氫圖1 不同表面處理工藝下碳纖維的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fiber under different surface treatment processes

從圖1可以看出，未處理的碳纖維表面較為光滑、平整；經(jīng)過丙酮預(yù)處理后，碳纖維表面形貌未見明顯變化，仍然較為光滑；經(jīng)過硝酸處理后，碳纖維表面可見局部凸起，呈現(xiàn)出不同尺寸的顆粒形態(tài)；經(jīng)過過氧化氫處理后，碳纖維表面可見局部豎向溝壑、凸起。由此可見，經(jīng)過硝酸處理和過氧化氫處理會(huì)對(duì)碳纖維表面形貌產(chǎn)生明顯影響；而丙酮預(yù)處理后碳纖維的表面形貌與未處理時(shí)基本相同，且過氧化氫處理對(duì)碳纖維表面形貌影響最大。

2.1.2紅外光譜分析

圖2為不同表面處理工藝下碳纖維的FTIR圖。

圖2 不同表面處理工藝下碳纖維的FTIR圖Fig.2 FTIR diagram of carbon fiber under different surface treatment processes

2.1.3室溫力學(xué)性能

表1為不同表面處理工藝下碳纖維的室溫力學(xué)性能。

表1 不同表面處理工藝下碳纖維的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of carbon fiber under different surface treatment processes

由表1可知，對(duì)于未處理的碳纖維，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；經(jīng)過氧化氫處理后，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；經(jīng)過硝酸處理后，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為2 438 MPa、2.5%和201.6 GPa。由此可見，雖然經(jīng)過硝酸處理和過氧化氫處理都會(huì)對(duì)碳纖維表面微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，但過氧化氫處理后碳纖維的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量相較未處理碳纖維變化不大或略有降低，其中硝酸處理后碳纖維的力學(xué)性能降低較為明顯。這主要是因?yàn)橄跛崽幚黼m然會(huì)對(duì)碳纖維表面粗糙度產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)碳纖維腐蝕更加嚴(yán)重；過氧化氫相對(duì)在碳纖維表面產(chǎn)生刻蝕和形成更多含氧官能團(tuán)[10]，而不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕情況。

2.2 制備工藝

2.2.1壓強(qiáng)的影響

圖3為不同壓強(qiáng)下聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；表2列出了壓強(qiáng)對(duì)聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能的影響，熱壓溫度設(shè)定為180 ℃。

表2 壓強(qiáng)對(duì)聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能的影響Tab.2 Effect of pressure on tensile properties of polyamide self reinforced composites

圖3 不同壓強(qiáng)下聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites under different pressures

當(dāng)壓強(qiáng)為1 MPa時(shí)，聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為113.8 MPa、43.3%和417.7 GPa；隨著壓強(qiáng)增大，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量先增后減，斷裂伸長(zhǎng)率先減后增，在壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)取得抗拉強(qiáng)度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時(shí)復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率為41.9%。這主要是因?yàn)楫?dāng)壓強(qiáng)小于5 MPa時(shí)，聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料層間流動(dòng)性較差，無法將碳纖維充分浸潤(rùn)，復(fù)合材料的致密性較差而降低了力學(xué)性能[11]；當(dāng)壓強(qiáng)大于5 MPa時(shí)，聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料會(huì)由于壓強(qiáng)過大而使得碳纖維的排列發(fā)生偏移，影響了整體結(jié)構(gòu)而造成力學(xué)性能降低[12]。聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料適宜的壓強(qiáng)為5 MPa。

2.2.2溫度的影響

圖4為不同溫度下聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；表3列出了溫度對(duì)聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能的影響，熱壓壓強(qiáng)設(shè)定為5 MPa。

圖4 不同溫度下聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of polyamide self reinforced composites at different temperatures

表3 溫度對(duì)聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能的影響Tab.3 Effect of temperature on tensile properties of polyamide self reinforced composites

當(dāng)熱壓溫度為170 ℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為124.4 MPa、42.8%和839.7 GPa；隨著熱壓溫度從170 ℃增至200 ℃，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量先增后減，斷裂伸長(zhǎng)率先減后增而后又減，在熱壓溫度為180 ℃時(shí)取得抗拉強(qiáng)度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時(shí)復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率為41.9%。這主要是因?yàn)楫?dāng)熱壓溫度小于180 ℃時(shí)，聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維還沒有達(dá)到熔融峰，造成聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料的界面相容性較差[13-16]；當(dāng)熱壓溫度大于180 ℃時(shí)，聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料會(huì)由于溫度過高而影響碳纖維穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)熱壓溫度為200 ℃時(shí)，復(fù)合材料中碳纖維會(huì)發(fā)生熔化并破壞取向[17-20]，整體力學(xué)性能反而降低。聚酰胺自增強(qiáng)復(fù)合材料適宜的熱壓溫度為180 ℃。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)未處理的碳纖維，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為3 086 MPa、2.9%和212.9 GPa；經(jīng)過過氧化氫處理后，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為2 902 MPa、2.8%和211.4 GPa；經(jīng)過硝酸處理后，抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彈性模量分別為2 438MPa、2.5%和201.6 GPa；

(2)隨著壓強(qiáng)增大，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量先增后減，斷裂伸長(zhǎng)率先減后增，在壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)取得抗拉強(qiáng)度和彈性模量最大值，分別為141.7 MPa和943.4 GPa，此時(shí)復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率為41.9%；

(3)隨著熱壓溫度升高，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量先增后減，斷裂伸長(zhǎng)率先減后增而后又減，在熱壓溫度為180 ℃時(shí)取得抗拉強(qiáng)度和彈性模量最大值。