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原文传递原位聚合制备碳纤维增强铸型尼龙复合材料及其结构与性能的研究

论文题名：	原位聚合制备碳纤维增强铸型尼龙复合材料及其结构与性能的研究
关键词：	汽车轻量化;碳纤维增强铸型尼龙复合材料;制备工艺;原位聚合;力学性能
摘要：	轻量化是汽车提高安全性能和环保效能的最有效手段之一，也是汽车未来发展的必然趋势。碳纤维复合材料具有高强高模、耐热、耐腐蚀、耐疲劳和比重小等优异的性能，是汽车轻量化最理想的材料之一，具有广泛应用前景。碳纤维复合材料分为碳纤维增强热固性树脂基复合材料和碳纤维增强热塑性树脂基复合材料。与热固性复合材料相比，碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有良好的耐冲击性、可回收、可重复利用和成型周期短的特性，更适合于汽车轻量化的应用。尼龙6作为一种优异的热塑性工程塑料，在汽车领域有广泛的应用。但是，尼龙6树脂的熔体黏度较大，直接将其与连续碳纤维织物成型制备汽车零部件，难以充分浸渍碳纤维，给其在汽车轻量化的应用带来挑战。考虑到尼龙6的单体己内酰胺的熔体黏度小，采用己内酰胺阴离子聚合制备铸型尼龙（MC尼龙），可以实现原位聚合制备碳纤维增强MC尼龙复合材料，避免了热塑性树脂黏度高的难题，且聚合时间短，MC尼龙分子量高，保障了复合材料高效制备和优异的性能。因此，本论文采用己内酰胺通过原位聚合的方法，制备性能优异的碳纤维增强MC尼龙复合材料。　　本论文首先采用己内酰胺阴离子聚合的方法制备了不同引发剂（NaOH）含量与不同活化剂（TDI，甲苯-2,4-二异氰酸酯）含量的MC尼龙，并通过研究其分子量、转化率、热学性能和结晶性能等来分析不同引发剂与活化剂含量对己内酰胺聚合过程的影响。结果表明，随着TDI与NaOH用量提升，MC尼龙的分子量、转化率、热稳定性和结晶度都呈现先增大后减小的规律。其中，当TDI含量为0.25mol%，NaOH含量为0.55mol%时MC尼龙结晶度最高为47.01%，且重均分子量达到47.1万，分子量分布为3.37。另外，TDI用量与NaOH用量不会改变MC尼龙的晶型与晶体生长方式。综合考虑下，选定了TDI含量为0.25mol%，NaOH含量为0.55mol%的工艺条件，通过己内酰胺原位聚合的方法来制备碳纤维增强MC尼龙复合材料。　　随后，本论文选择了火焰处理的碳纤维织物制备不同质量分数的碳纤维的MC尼龙浇铸体，并主要研究了碳纤维对MC尼龙分子量与结晶的影响。结果表明，碳纤维的加入使MC尼龙分子量、转化率与结晶度都有所下降，而分子量分布范围变窄，并且随着碳纤维质量分数的提升，其分子量、转化率与结晶度进一步下降。碳纤维没有改变MC尼龙的晶型，而且，碳纤维两侧发现有轴晶生成，这有利于提高碳纤维与树脂的界面性能。此外，随着碳纤维含量的增多，结晶速度加快，而碳纤维的加入也改变了MC尼龙的结晶成核机理，由均相成核变成异相成核。　　最后本论文研究了气相氧化处理、丙酮去浆处理、火焰处理和偶联剂处理4种不同碳纤维的表面处理方式，并以此制备了碳纤维增强MC尼龙的复合材料，研究了不同碳纤维处理方式复合材料的力学性能，并利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了复合材料断面的微观形貌，同时，利用红外光谱仪（FTIR）、差示扫描量热仪（DSC）、广角X射线衍射（WAXD）和热重分析仪（TGA）等对复合材料的结构与性能进行了系统分析。结果表明气相氧化处理与偶联剂处理可以大幅提高碳纤维表面的氧碳比例，且偶联剂处理的碳纤维表面成功增加了较多含氧官能团，C-O比例为约22.80%，C=O比例约为14.25%；而气相氧化处理与火焰处理可以增加了碳纤维表面的粗糙度。　　采用真空辅助树脂灌注成型（VARI）的工艺制备了碳纤维增强MC尼龙复合材料，树脂可以有效浸润碳纤维，通过红外光谱分析得出MC尼龙碳纤维复合材料相比较纯的MC尼龙化学基团并无改变，热重分析得出复合材料的热稳定性提高。此外，对比不同碳纤维表面处理方式复合材料的性能发现，对碳纤维表面偶联剂处理制备的复合材料力学性能最为优异。其中，拉伸强度达到595.5MPa，拉伸模量达到67.3GPa；压缩强度与模量分别为227.5MPa与39.3GPa；弯曲强度与模量分别为330.7MPa与25.3GPa；层间剪切强度达到30.6MPa。
作者：	胡斌斌
专业：	材料物理与化学
导师：	马禹;张辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2021