A New Way of Strengthening and Toughening for Carbon Fiber Reinforced Polyphenylene Sulfide(CF/PPS) Composites via Matrix Modification

The effect of pressure-induced flow（PIF） processing on the mechanical properties of noncontinuous carbon fiber（CF） reinforced polyphenylene sulfide（PPS） composites was investigated. A series of CF/PPS composites under different processing conditions were prepared through PIF-processing. SEM observations showed that the interfaces adhesion between CFs and PPS became stronger and ductile fracture mainly occurred in PPS matrix. This brought to a great increase of both strength and toughness by about 2 folds, when the composites were processed at 240 ℃ and under 263 MPa. The results in differential scanning calorimetry（DSC） and X-ray diffraction（XRD） measurements indicated more regular crystalline structures and orientation of lamellae formed during PIF-processing.

碳纤维/聚苯硫醚复合纸的电磁屏蔽性能研究

为制备高性能碳纤维纸基材料,用短切碳纤维(CFs)和聚苯硫醚(PPS)浆粕通过湿法抄造和高温热处理的方法制备了CFs/PPS复合纸。在复合纸中,PPS浆粕经高温热处理后成为球形焊接点,将三维空间中混乱无序的碳纤维连接在一起形成三维导电碳纤维网络通路。结果表明:CFs/PPS复合纸的电磁屏蔽效能最高可达53 dB;制备的CFs/PPS复合纸表现出优异的柔韧性、导电性能、电磁屏蔽性能、超疏水性能以及阻燃性能。为制备柔性高性能电磁屏蔽碳纤维纸提供了新的方法;制备的CFs/PPS复合纸可以适应极端恶劣环境。

聚苯硫醚/石墨烯纳米复合纤维的燃烧和炭化行为

为解决聚苯硫醚(PPS)纤维在燃烧过程中热释放和烟释放较高的问题,实现其在热防护服领域的应用,将石墨烯(G)添加至PPS基体中,通过共混造粒与熔融纺丝工艺制备PPS/G纳米复合纤维,对复合纤维的聚集态结构及力学性能进行测试,并研究其燃烧和炭化行为。结果表明:石墨烯可显著提高聚苯硫醚纳米复合纤维的燃烧残炭量及炭层结构的致密性,当石墨烯质量分数达0.3%时,PPS/G纳米复合纤维织物的热释放速率峰值从67 kW/m^(2)降低至28 kW/m^(2);当石墨烯质量分数为0.7%时,总热释放和总产烟量均下降最多,分别降低62%和66%,燃烧性能得到显著改善;且所得复合纤维能够保持更高的断裂强度和断裂伸长率,有望应用于阻燃防护织物领域。

硫化锌/氮硫共掺杂碳纤维复合材料的制备及其储锂特性

作为锂离子电池负极材料,碳基材料性能稳定但比容量有限,金属硫化物比容量较高但存在结构不稳定、易溶于电解液等问题,通过引入碳材料包裹金属硫化物,可维持结构稳定并防止中间产物的溶解。将硫粉和乙酰丙酮锌加入到聚丙烯腈的有机溶液中,采用静电纺丝法及后续热处理,合成了碳包覆ZnS复合纤维。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,硫不仅与锌反应生成了ZnS,还对碳纤维进行了掺杂。在扫描电镜(SEM)和高角环形暗场像(HAADF)测试中可观察到纤维为棒状,外层碳为氮硫共掺杂碳,内部包裹着直径为100 nm左右的ZnS颗粒。在拉曼测试中可以看出:碳的D峰与G峰的强度比(I_(D)/I_(G))达到1.35,表明碳纤维的无序程度较高。热分析结果表明,复合纤维中碳含量约为50%。电化学测试结果表明,ZnS@C在0.1 A/g的电流密度下首圈放电比容量高达834 mAh/g,单圈容量下降率仅有0.25%。在电流密度为1 A/g时,放电比容量可稳定于530 mAh/g,循环500圈基本无容量衰减。在1.0 mV/s扫速下,电极的赝电容贡献率达到77%,表现出良好的赝电容行为和优异的储锂特性。

环氧树脂界面改性剂对PPS/CFF复合材料性能的影响

首先以4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)、4,4’-二氨基二苯硫醚(DDS)、4,4’-二氨基二苯二硫醚(DDDS)为主要原料,分别合成了3种环氧树脂界面改性剂,即四缩水甘油基-4,4’-二氨基二苯甲烷(TGDDM)、四缩水甘油基-4,4’-二氨基二苯硫醚(TGDDS)和四缩水甘油基-4,4’-二氨基二苯二硫醚(TGDDDS),并对其分子结构和环氧值进行了分析研究。然后采用上述界面改性剂对碳纤维织物(CFF)进行表面处理,并通过薄膜叠层法制备了聚苯硫醚(PPS)/CFF复合材料,研究了界面改性剂对PPS/CFF复合材料力学性能、微观形貌和自修复性能的影响。结果表明,TGDDS不仅能促使PPS熔体充分浸润碳纤维,而且可通过环氧基团与CF表面羟基等含氧基团的反应,在复合材料界面处产生化学键连接,从而使对应的PPS/CFF复合材料的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量分别达到417.3 MPa,54.1 GPa,279.7 MPa和39.5 GPa,较未处理的PPS/CFF复合材料分别提升了约51.6%,20.2%,47.1%和38.6%。另外,采用TGDDDS为界面改性剂制备的PPS/CFF复合材料具备较好的自修复性能,其拉伸强度的自修复率为95.9%。

硫磺上浆剂对CF/PPS复合材料性能的影响

针对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料的特点,在前期研究了硫对界面的作用之后,制备了一种含硫复合上浆剂,即在聚乙二醇600和邻苯二甲酸酐单体水溶液中加入硫磺作为活性组分并乳化得到的乳液。利用X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和万能试验机对改性前后的碳纤维以及其复合材料的层间剪切性能进行了研究。结果表明:含硫上浆剂使复合材料层间剪切强度达到70MPa,相比未上浆碳纤维提升了20.7%;界面性能的提高源自于硫磺的化学活性,而树脂单体在干燥热处理过程中在碳纤维表面原位聚合,起到了上浆剂集束的作用,同时没有影响树脂与纤维的浸润及硫的化学作用。

连续碳纤维增强聚苯硫醚复合材料模压成型的表面质量研究

模压是热塑性材料制备产品时的一项重要工艺,而模压成型的表面质量是产品整体质量评估的重要参考。本文通过对聚苯硫醚碳纤维预浸料基本特性研究,采用自行设计的直角模具及温控系统对缎纹织物预浸料、单向预浸料进行了模压试验,综合考虑了加热温度、模具温度、冷却时间、压力、铺层与折弯角对塑型表观的影响。结果表明,预浸料在特定的温度范围内更利于树脂的浸渍,同时可保持在一定的黏度下还不发生外流;降温与压力的合理配合能使成型表面更加平整光亮,单向预浸料铺层形式会影响模压成型的表面质量,而织物预浸料影响较小;模压成型时,产品的局部形状变化更容易产生质量缺陷,应尽量避免尖角或大曲率过度设计。

碳纤维布增强聚苯硫醚复合材料的性能研究

研究碳纤维布的含量、表面处理方法及填料等对聚苯硫醚复合材料性能的影响。结果表明,随着碳纤维布含量的增加,复合材料的拉伸强度、冲击强度提高;碳纤维布经过表面处理后与聚苯硫醚的粘接强度大大提高,其中用丙酮浸泡的效果好于高温热处理;填料硅灰石经偶联处理后加入复合材料中,可提高材料的力学性能和耐热性。

炭黑改性聚苯硫醚纤维性能研究

在聚苯硫醚(PPS)树脂中加入少量的炭黑制成切片,采用熔融纺丝法制得改性PPS纤维。研究了炭黑的加入量对改性PPS纤维的取向、结晶和热性能的影响,以及改性PPS纤维经紫外光老化前后力学性能的变化。结果表明:加入炭黑可使PPS纤维取向度降低,结晶度提高;炭黑质量分数为1.5%的改性PPS纤维耐热性较好;经紫外光照射192 h后,与纯PPS纤维相比,其断裂强度保留率提高了30.3%,断裂伸长保留率提高了41.4%,抗紫外光老化性能得到了改善。

PPS／GF／Nano-CaCO_3三元复合材料的拉伸力学性能

考察了纳米碳酸钙(Nano-CaCO_3)含量及表面处理对玻璃纤维增强聚苯硫醚(PPS／GF)三元复合材料拉伸性能的影响。结果表明：复合材料的拉伸弹性模量、拉伸强度和拉伸断爱强度均有提高；当φ_f小于4％时,拉伸断裂伸长率隨着φ_f的增加而明显增大,然后趋于平缓。经钛酸酯处理的Nano-CaCO_3填充PPS／GF体系的拉伸力学性能略优于经硬脂酸处理的复合体系。

碳纤维织物增强聚苯硫醚复合材料的制备及性能

采用薄膜叠压法制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料层压板,研究了热压温度、热压压力和热压时间对复合材料层压板力学性能的影响,确定了制备CFF/PPS复合材料的理想工艺参数为:热压温度320～330℃,热压压力0.15～0.20MPa,热压时间8～10min。在该参数下制得的层压板拉伸强度为652MPa,弯曲强度为711MPa,层间剪切强度为43MPa;在6.7J/mm的冲击能量下,层压板的冲击后压缩剩余强度为116MPa。

PPS/GF/Nano-CaCO3三元复合材料的结晶性能

研究了纳米级碳酸钙(Nano-CaCO3)含量及表面处理对玻璃纤维增强聚苯硫醚(PPS/GF)三元复合材料结晶性能的影响。结果表明:随着Nano-CaCO3质量分数(φf)的增加,经硬脂酸和钛酸酯偶联剂作表面处理的PPS/GF/Nano-CaCO3三元复合体系(SI和SII)的起始结晶温度、结晶温度和结晶度均发生了不同的变化。当φf小于4%时,SII复合体系的结晶度最高。

聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的非等温结晶性能

利用双螺杆挤出机制备了纤维用聚苯硫醚/多壁碳纳米管(PPS/MWCNTs)复合材料。通过差示扫描量热法(DSC)研究了不同降温速率下纯PPS以及PPS/MWCNTs复合材料的非等温结晶过程,并运用Ozawa模型进行了非等温结晶动力学分析。结果表明:降温速率对PPS/MWCNTs复合材料的结晶性能有很大的影响,当降温速率为20℃/min时,PPS/MWCNTs复合材料的结晶能力及相对结晶度最大;MWCNTs在PPS结晶过程中起异相成核剂的作用,使PPS/MWCNTs复合材料的结晶温度较纯PPS升高。

高性能纤维的发展现状及展望

为系统了解高性能纤维的优异特性及其市场应用情况,分析了碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维5种代表性高性能纤维的性能特征及其应用领域;阐述了这5种高性能纤维的市场现状及存在的问题,并指出未来研发方向。研究认为:我国碳纤维应加大对大丝束、低成本产品的研发,间位芳纶及超高分子量聚乙烯已具备一定的竞争力,但对位芳纶及聚苯硫醚纤维进口依赖严重,聚酰亚胺纤维的整体市场容量有限。

玻璃纤维布增强聚苯硫醚复合材料的性能研究

研究玻璃纤维布增强聚苯硫醚复合材料及高岭土填充GF/PPS复合材料力学性能的变化。研究表明 :玻璃纤维布增强复合材料的拉伸强度和冲击强度与其含量有关。用偶联剂处理过的高岭土填充GF/PPS复合材料 ,改善了高岭土与聚苯硫醚的相容性及分散性 。

PPS/PC/GF/Nano-CaCO_3复合材料的拉伸性能

考察了纳米碳酸钙(Nano-CaCO_3)含量对玻璃纤维增强聚苯硫醚/聚碳酸酯(PPS/PC/GF)复合材料拉伸性能的影响。结果表明,当Nano-CaCO_3质量分数小于6％时,复合材料的拉伸弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率均随着Nano-CaCO_3含量的增加而有所提高,当质量分数为6％达到最大值,然后有所下降。

聚苯硫醚/热致性液晶聚芳酯的流变性及其纤维的性能研究

将自制热致性液晶聚芳酯(PEE)与聚苯硫醚(PPS)共混,通过熔融纺丝制备了PPS/PEE纤维。采用高压毛细管流变仪研究了PPS/PEE共混物的流变行为,利用扫描电子显微镜观察了PPS/PEE纤维的形态结构,通过差示扫描量热仪、热重分析仪、X射线衍射仪等表征了PEE的含量对PPS/PEE纤维热性能及结晶行为的影响。结果表明:PEE的加入大幅度降低了PPS树脂的表观黏度,减小了其对剪切速率的敏感性,提高了PPS基体的结晶速率,加快了其结晶过程,在一定程度上提高了PPS纤维的热稳定性;PEE在共混纤维中起到异相成核剂的作用,对PPS的晶型没有影响;PEE与PPS相容性较差,PEE以大尺寸微纤的形式分布于基体中。

玄武岩纤维增强聚苯硫醚复合材料摩擦磨损性能的研究

使用玄武岩纤维(BF)作为增强体制备了BF增强聚苯硫醚(PPS)复合材料,研究了BF增强PPS复合材料的摩擦磨损性能,以及不同体积分数的BF增强体、不同载荷与滑动速度对复合材料的摩擦磨损性能的影响。结果表明,引入BF能有效地提高了复合材料的摩擦磨损性能,复合材料的摩擦因数随BF体积分数的增加逐渐提高;复合材料的摩擦因数随载荷的增加逐渐降低,但磨损率增大。

基于碳纤维表面修饰制备碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)热塑性复合材料

碳纤维织物增强聚苯硫醚(CFF/PPS)复合材料是重要的热塑性航空复合材料,其难点为提高碳纤维(CF)与基体的浸润性及界面强度。探讨了CF表面修饰对CFF/PPS界面结合强度的影响,对比了热处理去浆及三种表面修饰剂对碳纤维单丝及CFF/PPS复合材料的改性效果。采用X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、单丝强度测试、复合材料静力学测试和动态力学分析等手段对CF表面修饰效果进行评价,建立了基于CF表面修饰制备高性能CFF/PPS热塑性航空复合材料的方法。制备的复合材料层间剪切强度达91.4MPa,弯曲强度953.7MPa,拉伸强度797.4MPa,模量68.4GPa,冲击强度58.3kJ/m2,用SEM观察到CF表面包覆大量PPS树脂。

聚酰亚胺改性炭纤维增强聚苯硫醚复合材料的制备及表征

以均苯四甲酸(PMDA)和4,4’二氨基二苯醚(ODA)为原料合成聚酰胺酸(PAA),并以此为上浆剂对炭纤维实施上浆处理,通过热酰亚胺化的方法在炭纤维表面形成聚酰亚胺(PI)上浆层,用于提高炭纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)界面结合强度。通过扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对PI上浆炭纤维表面进行分析,结果表明在炭纤维表面形成一层连续且均匀的PI涂层,且经PI处理后的炭纤维表面高活性碳含量比未处理炭纤维提高了9.72%。相比于未处理CF/PPS复合材料,PI上浆CF/PPS复合材料的层间剪切强度、压缩强度和压缩模量分别提高了26.39%、26.02%和19.64%。