耐高温溶液型聚芳醚酮上浆剂的制备及其应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240205

摘要/Abstract

摘要：

由于碳纤维（CF）表面呈现化学惰性且润湿性差，显著影响了碳纤维/聚醚醚酮复合材料（CF/PEEK）的界面性能，上浆法作为一种简单高效的方式可以改善复合材料的界面性能，其中聚芳醚酮（PAEK）作为CF上浆剂具有耐高温和机械强度高等优点。以双酚A（BPA）和双酚芴（BHPF）为单体，环丁砜为溶剂，180 ℃下合成了耐高温PAEK，并以该树脂为主浆料制备出上浆剂。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）等对PAEK的官能团结构、上浆后的CF单丝表面及复合材料断裂面的形貌进行了表征，同时也对不同浓度的聚芳醚酮上浆剂对CF/PEEK力学性能的影响进行了研究。随着上浆剂中BHPF质量分数的增加，PAEK树脂的玻璃化转变温度（T_g）及5%热分解温度（T_5%）逐渐升高，最终用BHPF单体全部替代了有毒的双酚A单体，制备出绿色环保的PAEK。与未经上浆处理的CF/PEEK相比，使用质量分数1.5%的PAEK-3上浆剂使其层间剪切强度（ILSS）提升了31.43%，而弯曲强度提高了22.1%，弯曲模量提高了26.8%。因此，使用质量分数1.5%的PAEK-3上浆剂能有效提高CF/PEEK复合材料综合性能。

关键词: 碳纤维, 聚芳醚酮, 复合材料, 上浆剂

Abstract:

Owing to the chemical inertness and inadequate wettability of carbon fiber （CF） surface， the interfacial properties of carbon fiber/poly（ether ketone） composites （CF/PEEK） are significantly influenced. As a straightforward and efficient approach， the sizing method can enhance the interfacial properties of the composites. Poly（aryl ether ketone）（PAEK）， serving as a sizing agent for CF， possesses the advantages of high temperature resistance and substantial mechanical strength. This study employed bisphenol A （BPA） and bisphenol fluorene （BHPF） as monomers to synthesize PAEK with high temperature resistance. The resin was utilized as the primary slurry for the preparation of sizing agent. Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR） and scanning electron microscopy （SEM） characterized the functional group structure and surface morphology of PAEK after sizing. Concurrently， the study investigated the effects of varying concentrations of PAEK sizing agent on the mechanical properties of CF/PEEK. As the BHPF content in the sizing agent increased， the heat resistance of PAEK resin gradually improved. The use of PAEK-3 sizing agent increased the interlaminar shear strength by 31.43%， the flexural strength by 22.1%， and the flexural modulus by 26.8%， compared to CF/PEEK without sizing treatment. Thus， the utilization of PAEK-3 sizing agent significantly enhances the overall performance of CF/PEEK composites.

Key words: Carbon fiber, Poly（aryl ether ketone）, Composite material, Sizing agent

中图分类号:

O632

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图/表 8

图1 聚芳醚酮树脂合成的化学反应方程式PAEK-1： n（BHPF）=5 mmol， n（DFBP）=10 mmol， n（BPA）=5 mmol； PAEK-2： n（BHPF）=7 mmol， n（DFBP）=10 mmol， n（BPA）=3 mmol； PAEK-3： n（BHPF）=10 mmol， n（DFBP）=10 mmol， n（BPA）=0 mmol

Fig.1 The chemical reaction equation of poly aryl ether ketone resin synthesis

图2 PAEK系列共聚物的FT-IR （A）和1H NMR图谱（B）

Fig.2 （A） FT-IR and （B） 1H NMR spectra of PAEK copolymers

图3 PAEK系列共聚物的（A）TGA谱线及（B）DSC谱线

Fig.3 TGA （A） and DSC curves （B） of PAEK series copolymers

表1 PAEK系列共聚物热性能数据

Table 1 Thermal performance data of PAEK series copolymers

Sample	T_g/℃	T_5%/℃	T_10%/℃	Char yield/%
PEEK	148.40	570.17	576.83	54.95
PAEK-1	203.82	436.83	476.67	61.30
PAEK-2	223.45	460.83	476.67	53.65
PAEK-3	245.26	452.17	468.35	49.15

表2 PAEK树脂的溶解性

Table 2 Solubility of PAEK resin

Sample	H₂O	C₂H₅OH	Acetone	THF	CHCl₃	DMSO	DMAc	Conc. H₂SO₄
PEEK	-	-	-	-	-	-	-	+
PAEK-1	-	-	-	+	+	+	+	+
PAEK-2	-	-	-	-	+	+	+	+
PAEK-3	-	-	-	-	+	+	+	+

图4 不同浓度的PAEK-3上浆剂对CF表面进行修饰的SEM图A. Unsized carbon fiber； B. PAEK-3-1.0% sized carbon fiber； C. PAEK-3-1.5% sized carbon fiber； D. PAEK-3-2.0% sized carbon fiber

Fig.4 SEM images of carbon fiber surface modified by different concentrations of PAEK-3 sizing agent

图5 （A）未上浆CF/PEEK复合材料、（B）PAEK-1-1.5%上浆CF/PEEK复合材料、（C）PAEK-3-1.5%上浆CF/PEEK复合材料和（D）PAEK-2-1.5%上浆CF/PEEK复合材料在弯曲测试后的断口SEM图

Fig.5 SEM image of fracture surface of （A） unsized CF/PEEK composites，（B） PAEK-1-1.5% sized CF/PEEK composites，（C） PAEK-3-1.5% sized CF/PEEK composites and （D） PAEK-2-1.5% sized CF/PEEK composites after bending test

图6 上浆后CF/PEEK复合材料的层间剪切图（A）和三点弯曲图（B）

Fig.6 Interlaminar shear diagram （A） and three-point bending diagram （B） of CF/PEEK composites after sizing

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