短切碳纤维对聚苯腈/碳纤维复合材料性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.02.005

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (2): 31-37.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.02.005

短切碳纤维对聚苯腈/碳纤维复合材料性能的影响

董竞辉, 桑晓明, 陈祯, 尹伟浩, 姜骞, 陈兴刚()

华北理工大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属材料重点实验室，唐山市功能高分子材料重点实验室，河北唐山 063210

收稿日期:2022-11-07 出版日期:2023-02-26 发布日期:2023-02-22
通讯作者: 陈兴刚（1985—），男，讲师，从事聚合物复合材料研究，chenxinggang000@126.com
E-mail:chenxinggang000@126.com
基金资助:
河北省自然科学基金项目(E2019209514);河北省高等学校科学技术研究项目(QN2020228)

Effect of short⁃cut carbon fibers on performance of phthalonitrile/carbon fiber composites

DONG Jinghui, SANG Xiaoming, CHEN Zhen, YIN Weihao, JIANG Qian, CHEN Xinggang()

Key Laboratory of Functional Polymer Materials of Tangshan City，Key Laboratory of Inorganic Nonmetallic Materials of Hebei Province，School of Materials Science and Engineering，Tangshan 063210，China

Received:2022-11-07 Online:2023-02-26 Published:2023-02-22
Contact: CHEN Xinggang E-mail:chenxinggang000@126.com

摘要/Abstract

摘要：

利用碳纤维（CF）增强聚苯腈（PN）树脂制备一系列PN/CF复合材料，利用万能试验机和动态热机械分析仪（DMA），研究短CF含量、长度与偶联剂种类对PN树脂力学性能的影响。结果表明，采用苯基三乙氧基硅烷作为偶联剂时力学性能和热稳定性达到最佳水平，相较于未经偶联剂改性PN/CF复合材料的储能模量提高了22.2 %，热失重5 %温度（T_{d5 %}）提高了33.1 %；随着CF掺杂量的增加，材料力学性能呈现先增大后减小趋势，在0.3 %（质量分数，下同）时获得了最优异力学性能，相较于PN树脂，其弯曲强度提高了38.4 %，弯曲模量提升了97.7%；CF长度为6 mm时材料的弯曲强度和储能模量优于CF长度为3 mm时的材料。

关键词: 聚苯腈, 碳纤维, 复合材料, 动态力学性能, 力学性能

Abstract:

A series of phthalonitrile/carbon fiber composites were prepared using short⁃cut carbon fibers as a reinforcement agent， and the effects of the content and length of short⁃cut carbon fibers and the type of coupling agent on the mechanical properties of the composites were investigated using a universal testing machine and a dynamic thermomechanical analyzer. The results indicated that the composites obtained optimal mechanical properties and thermal stability when phenyltriethoxysilane was used as a coupling agent. Compared to the composites without a coupling agent， the composites modified with phenyltriethoxysilane exhibited an increase in the energy storage modulus by 22.2 % and in the characteristic temperature at a 5 wt% weight loss by 33.1 %. With an increase in the addition amount of carbon fibers， the mechanical properties of the composites showed an increasing trend at first and then tended to decrease. The composites obtain optimal mechanical properties at a carbon⁃fiber loading of 0.3 wt%. Compared to pure phthalonitrile resin， the composites achieved an increase in bending strength by 38.4 % and in bending modulus by 97.7 %. The composites exhibited higher bending strength and a higher energy⁃storage modulus at a carbon⁃fiber length of 6 mm than those at a fiber length of 3 mm.

Key words: phthalonitrile, carbon fiber, composite, dynamic mechanical property, mechanical property

中图分类号:

TQ325

董竞辉, 桑晓明, 陈祯, 尹伟浩, 姜骞, 陈兴刚. 短切碳纤维对聚苯腈/碳纤维复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 31-37.

DONG Jinghui, SANG Xiaoming, CHEN Zhen, YIN Weihao, JIANG Qian, CHEN Xinggang. Effect of short⁃cut carbon fibers on performance of phthalonitrile/carbon fiber composites[J]. China Plastics, 2023, 37(2): 31-37.

图/表 10

图1 表面改性CF制备过程

Fig.1 Preparation process of surface modified CF

图2 偶联剂改性CF的SEM照片与EDS能谱

Fig.2 SEM images and EDS spectra of coupling agent modified CF

图3 改性CF的FTIR谱图

Fig.3 FTIR spectra of the modified CF

图4 偶联剂种类对复合材料弯曲性能的影响

Fig.4 Effect of coupling agent type on bending properties of the composite

图5 CF接枝偶联剂种类对复合材料动态力学性能的影响

Fig.5 Effect of CF grafting coupling agent type on dynamic mechanical properties of the composites

图6 PN/CF复合材料的TG曲线

Fig.6 TG curves of PN/CF composites

图7 CF含量对复合材料弯曲性能的影响

Fig.7 Effect of CF content on flexural properties of the composites

图8 CF含量对复合材料动态力学性能的影响

Fig.8 Effect of CF content on dynamic mechanical properties of the composites

图9 CF长度对复合材料弯曲性能的影响

Fig.9 Effect of CF length on bending properties of the composites

图10 CF长度对复合材料动态力学性能的影响

Fig.10 Effect of CF length on dynamic mechanical properties of the composites

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Effect of short⁃cut carbon fibers on performance of phthalonitrile/carbon fiber composites

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