短碳纤维增强尼龙6复合材料的制备与研究.pdf

第 1 0卷第2期2 0 1 0年 1 月 l 6 7 l l 8 1 5(2 0 1 0)2-0 5 4 6-0 4 科学 S c i e n c e 技术与工程 T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g Vo 1 1 0 No 2 J a n 2 0 1 0 2 01 0 S c i Te c h En g n g 化工技术 短碳纤维增强尼龙 6复合材料的制备与研究 李春华 宋国君杨淑静杨超孙伟(青岛大学 高分子材料研究所，青岛 2 6 6 0 7 1)摘要碳纤维复合材料是通过双螺杆反应挤出机复合制备，研究了复合材料的微结构和力学性能，碳纤维的扫描电镜照片 显示，处理后的碳纤维较未处理碳纤维有更好的表面粗糙度。复合材料断面照片显示处理后的碳纤维和基体尼龙6材料有着 很好的界面结合。复合材料的力学性能得到提高，其拉伸强度和拉伸模量分别提高了3 3 和5 0。关键词碳纤维 双螺杆挤出 硝酸氧化 界面结合 中图法分类号T Q 3 2 7；文献标志码A N y l o n i s t h e mo s t p o p u l a r e n g i n e e ri n g p l a s t i c s j u s t i n v i r t u e o f t h e a t t r a c t i v e p r o p e rti e s C a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e(C F R P)i s a k i n d o f h i g h p e r f o r ma n c e ma t e ria l us e d i n h i g h t e c h n o l o g y fie l d s，s u c h a s t h e a e r o s D a e e a n d a u t o mo b i l e i n d u s t rie s，a s we l l a s i n s po r t i n g g o o d s S h o a c a r b o n fi be r r e i n f o r c e d p o l y me r e x p a n d s t h e a p p l i c a t i o n i n v a rio u s e n g i n e e rin g fie l d t o f o r m a v e r y i mp o rta n t c l a s s o f t r i b o ma t e ria l s De s p i t e i t s l o we r me c h a n i c a l p r o p e rti e s i n c o mp a r i s o n wi t h c o n t i n u o u s fib e r r e i n f o r c e d p o l y me r s，s h o r t c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d t h e r mo p l a s t i c s i s v e r y a t t r a c t i v e o wi n g t o t h e i r a d v a n t a g e s o f e a s y f a b ric a t i o n，e c o n o my a n d b e t t e r me c h a n i c a l p r o p e rti e s c o mp a r e d w i t h p u r e p o l y mers 1，21 F i b e r ma t ri x a d h e s i o n i s v e r y i mp o r t a n t for me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f CF RP I t i s we l l a c c e p t e d t h a t t h e a d h e s i o n c a n b e e n h a n c e d b y s u r f z L c e t r e a t me n t o f c a r b o n fi b e r I n o r d e r t o a c h i e v e t h e p u r p o s e，l o t s o f me t h o d s h a v e b e e n d e v e l o p e d，s u c h a s o x i d a t i o n，c o a t i n g，a n d g r a f t i n g r e a c t i o n G e n e r a l l y，o x i d a t i o n i s a b e t t e r me t h o d o f t r e a t me n t I t ma y e t c h fib e r s u r f a lc e s a n d g e n e r a t e h y d r o x y l a n d c a r b o n y l g r o u p s，wh i c h ma y 2 0 0 9年 l 0月 6日收到 r e a c t e a s i l y wi t h ma t ric e s，a n d i n c r e a s e t h e s u r f a c e e n e r g y T h e o x i d a t i o n me t h o d s u s e d for c a r b o n fi b e r s u r-f a c e s i n c l u d e o x i d a t i o n i n v a ri o u s p l a s ma【3 l 4，g a s p h a s e o x i da t i o n ，a n o di z a t i 0 n 7 。e l e c t r o c h e mi c al o x i d a-t i o n i n v a r i o u s e l e c t r o l y t e s 1 0 ，g a mma r a y o r n e u t r o n r a d i o n a n d we t c h e roi c a l me t h o d s【l 3】s u c h a s b o i l i n g i n s u l f u ri c a c i d，p h o s p h o ri c a c i d，o r n i t ric a c i d，e t c I n t h e s t u d y i n o r d e r t o ma n u f z l c t u r e C F RP c o n t i n u o u s l y，C F R P w e r e p r e p a r e d b y t w i n s c r e w e x t r u。d e r W e r e s e a r c h i n t o t h e e f f e c t o f n i t ric a c i d o n t h e CF b y S EM p h o t o gra p h a n d t h e e f f e c t o f CF o n c rys t a l l i z a t i o n p e r f o rm a n c e o f CFRP by DSC c u r v e 1 Ex p e r i me nt a l 1 1 M a t e r i a l s N y l o n 6 r e s i n(P A 6)i s s u p p l i e d b y t h e C h i n a P e t-r o c he mi c a l Ba L i n g Co mp a n y L t d T he c a r b o n fib e r (C F)i s s u p p l i e d b y G u a n g w e i C o m p a n y L t d 1 2 Pr e p ar a t i o n of CF CF i s c u t t o 5 mm e a c h，a n d t h e n t h e s u r f a c e i s t r e a t e d wi t h 65 wt n i t ric a c i d i n 8 0。C wa t e r b a t h f o r 2 hFi n a l l y t h e fib e r s a r e wa s h e d wi t h d i s t i l l e d wa t e r 2期 李春华，等：短碳纤维增强尼龙 6复合材料的制备与研究 5 4 7 t o e l i mi n a t e t h e e x c e s s o f r e a g e n t s 1 3 Pr e pa r a t i o n o f s a mpl e s by e x t r u de Dr i e d P A6 i S fir s t mi x e d wi t h t h e s h o r t c u t CF T h e b l e n ds wi t h 5 wtCF c o n t e n t a r e t h e n f e d i n t o t h e e x t r u d e r u n d e r t h e r e q u i r e d c o n d i t i o ns，a f t e rw a r ds a r e p e l l e t i z e d F i n a l l y t h e d ri e d p e H e t s w e r e i n j e c t e d i n t o s t a n d a r d s a mp l e s 1 4 Ch a r a c t e r i z at i on T e n s i l e s t r e s s a n d t e ns i l e mo d u l u s a r e me a s ur e d a c c o r d i n g t o I S O 1 1 8 4 1 98 3 u s i n g a n e l e c t r o n i c t e n s i l e t e s t e r No t c h e d i mp a c t s t r e n g t h i s me a s u r e d a c c o r d i ng t o I S O 1 7 9 1 98 2 s u rfa c e mo r p h o l o g y a r e e x a mi n e d w i t h a S E M(J S M-6 3 9 0 L V)o f J a p a n e s e J e o l C o mp a n y r u n n i n g a t a n a c c e l e r a t i n g v o l t a g e o f 2 0 kV 2 Re s u l t s a n d d i s c u s s i o n S ur f a c e m o r p ho l o g y a na l y s i s o f s i n g l e c a r b o n fibe r (a)m t r e a t e d (b)t r e a t e d b y n i t r i c a c i d o x i d a t i o n F i g u r e 1 s u r f a c e mo r p h o l o g y o f c a r b o n fi b e r F i g u r e 1 s h o ws t h e SEM p h o t o g r a p h o f s u rfa c e o f u n t r e a t e d C F a n d n i t ri c a c i d o x i d a t i o n t r e a t e d C F I t c a n b e s e e n t h a t s u rfa c e o f n i t ric a c i d o x i d a t i o n t r e a t e d CF ha s mo r e l e g i b l e gro o v e s t ha n t h a t o f u n t r e a t e d c a r-b o n f i be r，wh i c h i s p r o b a b l e du e t o n i t ric a c i d S c o r r o-s i o n o n c a r b o n fib e r Th e r e f o r e，i t i s t o b e e x p e c t e d t h a t n i t ric a c i d c a n 1 c a d t o t h e mi c r o e t c h c r a c k f o r ma t i o n o n c a r b o n fib e r s u rfa c e wh i c h e n h a n c e s s u r f a c e r o u g h n e s s r e s u l t i n g i n i mp r o v e d me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f t h e c o mD o s i t e s 6 Th e s e mi c I lo e t c h f lo n a t i 0 n s c a n a n c h o r ma t rix a n d e n c h a n c e c a r b o n fib e r ma t rix i n t e r f a c i a l s t r e n g t h 2 2 Fr a c t u r e s u r f a c e mo r ph o l o g y a n a l y s i s o f s a mp l e (b)F i g u r e 2 f r a c t u r e s u r f a c e mo rph o l o g y o f t r e a t e d c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r(T C F R P)o f s a m p l e(a t d i f-f e n t ma g n i fi c a t i o n l e v e l s)c a r b o n fi b e r I n fi g u r e 2(a)，i t e f f e c t o f c a r b o n fi b e r d e b o n d i n g i s s u p r e s s e d，p r e ma t u r e a c c u mu l a t i o n c a nt b e o b s e r v e d t h e p u l l o u t I t i n d i c a t e s t h a t fib e r ma t rix whi c h o t h e r wi s e wo u l d i n d u c e o f d a ma g e l e a d i n g t o f a i l u r e 科学技术与工程 1 O卷 I n t h e r e p r e s e n t a t i v e i m a g e(fi g u r e 2(b)o f t h e b r e a k a g e r e g i o n，i t i s p o s s i b l e t o c l e a r l y o b s e r v e t h e r e i s a mo r e a mo un t o f a d h e r e n t p o l y me r o n t h e s u rfa c e o f c a r b o n fib e r T h e s e s u g g e s t t h e g o o d ma t rix-c a r b o n fi-b e r a d h e s i o n a n d t h e a d h e s i v e s u c c e s s i n t h e i n t e r f a c e wh e n c a r b o n fib e r i s f r a c t u r e d I t c a n ma k e CF e ffe c fi v e l y u n d e r t a ke t e n s i l e s t r e s s wh e n c o mp o s i t e g o t t e n-s i l e s t r e s s a nd e n h a n c e me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f P A6 ma t rix 2 3 M e c h a ni c a l pr o pe r t i e s o f p u r e r e s i n a nd c o i n-po s i t e Ta bl e 1 Phy s i c a l pr o p er t y o f pu r e r e s i n a nd c o mpo s i t e Cl：p u r e n y l o n 6 C 2：5 w tu n t r e a t e d c a r b o nfi b e r r e in f o r c e d n y l o n 6 c o mp o s i t e C 3：5 w t t r e a t e d c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d n y l o n 6 c o mp o s i t e I n t a b l e 1，i t c a n b e s e e n t h a t me c h a n i c al p o r p e r t i e s o f CFRP，c o mp a r e d wi t h t h a t o f C 1，i s o b v i o u s l y i n c r e a s e d，wh i l e，me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f C3 i s b e t t e r t h a n t h a t o f C2 Es p e c i a l l y，t e n s i l e mo d u l s o f C3 b o o s t s c o mp a r e d wi t h t h a t o f C2 b y 3 3a n d p u r e PA6 b y 5 0 I t i s e x p l a i n e d t h a t c a r b o n fib e r c a n we l l wo r k e d i n t a k i n g o n s t r e s s i n c o mp o s i t e，mo r e o v e r，t r e a t e d c a r b o n fib e r wo r k e d b e t t e r t h a n u n t r e a t e d c arb o n fi be r i n t a k i n g o n s t r e s s i n c o mp o s i t e Co n s e q ue n t l y，i t i l l u s t r a t e d t h a t t r e a t i n g c a r b o n fi b e r b y n i t ric a c i d c a n b e t t e r e n h a nc e d me c ha n i a c l p o r p e r t i e s o f CF RP 3 Co n c l u s i o n s (1)N i t ri c a c i d c a n e f f e c t i v e l y c h a n g s u rf a c e m o t p h o l o g y o f CF a n d e n c h a n c s u rfa c e r o u g h ne s s (2)C F t r e a t e d b y n i t ri c a c i d c o m p a r e d w i t h u n t r e a t e d CF ma y h a v e b e t t e r i n t e rfa c e b o n d i n g wi t h PA6 m a t rix (3)t e n s i l e s t r e n g t h a n d t e n s i l e m o u d l e o f c o m p o s i t e a r e e n h a n c e d b y 3 3 a nd 5 0 r e s pe c t i v e l y 1 B ij w e J，I n d u ma t h i J，R a j e s h J J，e t a 1 F ri c t i o n a n d w e a l b e h a v i o r o f p o l y e t h e r i mi d e c o mp o s i t e s i n v a r i o u s we a lmo d e s，We a r，2 0 0 1；2 4 9 (8)：7 1 5 刁 2 6 2 Pala b i y i k M，B a h a d u r S T r i b o l o g i c al s t u d i e s o f po l y a mi d e 6 a n d h i g h-d e n s i ty p o l y e t h y l e n e b l e n d s fi ll e d wi t h PT F E a n d c o p p e r o x i d e and rei nfo r c e d w i t h s h o r t a s s fi b e rsWe a r，2 0 0 2；2 5 3(3 4)：3 6 9-3 7 6 3 W e n Hu a-e h i an g，Ya n g Ko h o，e t a 1 Ef e e t s o f a mmo n i a p la s ma t r e a t me n t o n t h e s u r f a e e c h a r a c t e ri s t i c s o f c arb o n fi be rs S u rf a c e Co a t i n g s T e c h n o l o g y，2 0 0 6；2 0 0：3 1 6 6 3l 6 9 4 Ki n g s l e y K C Ho，L e e A F，L a mo rin i e r e，S e t a 1 C o n t i n u o us a t mo s-p h e ri c p l a s ma flu o ri n a t i o n o f c a r b o n fi b r e s，C o mp o s i t e s，2 0 0 8；3 9：3 6 4 _ 3 7 3 5 L i j I n t e r f a c i a l s t u d i e s o n t h e O mo d i fi e d c a r b o n fi b e r r e in f o r c e d po l y a mi d e 6 c o mpo s i t e s，Ap p l i e d S u rfa c e S c i e n c e，2 0 0 8；2 5 5：2 8 2 2 2 8 2 4 6 S e o，Mi n k a n g，P a r k S o o j i n S u rfa c e c h a r a c t e ri s t i c s o f c arb o n fi b e r s mo d i fie d b y d i r e c t o x y tl u o ri n a ti o n J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e rf a c e S c i e n c e，2 0 0 9；3 3 0：2 3 7 -2 4 2 7 P a r k S J，K i m，M H J Ma t e r S c i，2 0 0 0；3 5：1 9 01 8 P a r k S J，P a r k，B J R y u S KC arb o n，1 9 9 9；3 7：1 2 2 3 9 Bo u d o u J P，P a r e d e s J I，Cu e s t a AC arb o n，2 0 0 3；4 1：4 1 1 0 P a r k S J，Do r me t J BHn o d i e S u rfa c e t r e a t me n t o n c arb o n fi b e rs：d e t e r mi n a t a t i o n o f a c i d b ase i n t e r a c t t i o n p ara me t e r b e twe e n two u n i d e n t i e al s o l i d s u f a e e s i n a c o mpos i t e s y s t e m J o u r n al o f C o l l o i d a n d I n t e r fl a e e S c i e n c e，1 9 9 8；2 0 6：2 9 32 1 1 J a n n a k o u d a k i s A D，J a n n a k o u d a k i s P D，T h e o d nd o u E，e t a 1 J Ap p l El e c t r o c h e m，1 9 9 0；2 0：61 9 1 2 Wa n Y Z，W a n gY L，Hu a n gY，e t a 1 Eff e c t o f s u rfa c etr e a t me n t o f c arbo n fib e r s w i th g am ma r a y r a d i a t i o n o n me c h a n i c al p e rfo r ma n c e o f t h e i r c o mp o s it e s J o u r n al o f Ma t e ri a l s S c i e n c e，2 0 0 5；4：3 3 5 5 _ 3 3 5 9 1 3 S e r p P h，F i g u e i r e d o J L，e t a 1 S u rf a c e t r e a t me n t s o f v a p o r-g r o w n c ar bonfi b e rs p r o d u c e d o n a s u b s t r a t e C a r b o n，1 9 9 8；3 6(1 2)：1 7 9 1 1 7 9 9 (下转第 5 5 4页)5 5 4 科学技术与工程 1 O卷 Ab s t r a c t Se i s m i c Re s p o n s e s Ana l y s i s o f Uns y m me t r i c a l Do u b l e t o we r Co n n e c t i n g St r u c t u r e wi t h La r g e Ba s e s Q I A N S h a n-g u a n g，L I Y u n ，X U X i n g w e i，P E I L i J i a n (F a c u l ty o f A r c h i t e c t u r e a n d A r t s，K u n mi n g Me t a l l u r g y C o l l e g e，K u n m i n g 6 5 0 0 3 3，P R C h i n a；Ku n mi n g W a n k u n Co n s t r u c t i o n Ma n a g e me n t Co ，L t d K u n m i n g 6 5 003 1，P RC h i n a)Us i n g u n s y mme t ric a l c o n n e c t i n g b u i l d i n g s wi t h l a r g e b a s e s a s a n e x a mp l ea u n s y mme t ric a l t wo t o w e r b u i l d i n g wi t h l a r g e b a s e s a n d a un s y mme t ric a l t wo t o we r c o n n e c t i n g b u i l d i n g wi t h l a r g e b a s e s we r e e s t a b l i s h e d T h e d y n a mi c p r o p e r t i e s o f t h e t wo 8 t r u c t u r e s a r e p o mp a r e d，a n d u s i n g mo d e s u p e r p o s i t i o n r e s p o n s e s pe c t r u m a n a l y s i s i mp o s e d o n x a n d y d i r e c t i o n s e i s mi c e x c i t a t i o n，fl o o r s d i s p l a c e me n t a nd flo o r s s h e a r we r e a c h i e y e dTh e r e s u I t s s h o w t h a t c o n n e c t o r c o u l d b e v e r y g o o d c o o r d i n a t i o n o f t h e d e f o r ma t i o n o f t h e t wo t o we r sr e d u c e t h e s h e a r 0 n t h e l a r g e b a s e s，a d d i n g c o n n e c t o r wa s b e n e fit o f a u n s y mme t r i c a l t wo t o we r b u i l d i n g wi t h l a r g e ba s e s K e y wo r d s u n s y m m e t ri c al c o n n e c t i n g b u i l d i n g s w i t h l a r g e b a s e s ma s s r a t i o r e s po n s e s p e c t r u m(上接第5 3 0页)v i b r a t i o n mo d e mo d a l p a r t i c i pa t i n g 、。I nv e s tig a tio n o f Ke y Pa r a me t e r s Ba s e d o n Fi x e d Hy d r a u l i c Fo r k Li f t i n g Pl a t f o r m H U A N G J i a n-l o n g，L I X i n g h u i，M A O J i a n j u n (D e p a r t m e n t o f Me e h a n i c a l and E l e e t r o n i c E n g i n e e r i“g，L a n z h。u U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，P R C h i n a)Ab s t r a c t F o r c e s t a t e o f s c i s s o r s m e c h a n i s m i s a n a l y z e d，a n d t h e me c h a n i c s m o d e 1 0 f s c i s s o r s m e c h a n i s m i s e s t a b l i s h e d，t h e n s i mu l a t i o n i s d o n e b y ADAMS，k e y p a r a me t e r s a r e s t u d i e d a n d a n aly z e d i。t h e i n flu e n c e o f t h e ma x i mu m t h rus t o f fix e d h y dr a u l i c，wh i c h n o t o n l y p r o v i d e t h e t h e o r y b a s i s f o r d e s i g n o f t h e f l0 r k t y p e l i f l i n g o r g a n i z a t i o n，b u t als o p o s s e s s t h e a c t u a l r e s e arc h s i g n i fi c a n c e a n d t h e p r o j e c t u s e v a l u e Ke y w o r d s f o r k l i ft i n g p l a tf o r m h y d r a u l i c c y l i n d e r s s i m u l a t i o n 、-(上接 第 5 4 8页)、0 、S t ud y o n Pr e p a r a tio n o f S h o r t Ca r b o n Fi b e r Re i n f o r c e d Ny l o n 6 Co mpo s i t e L I C h u n-h u a，S O N G G u o-j u n，Y A N G S h u-j i n g，Y A N G C h a o S U N We i (I n s t it u t e o f P o l y m e r Ma t e r i a l s，Q i n g d a o U n i v e rs i