叠氮偶联剂改性碳纤维增强树脂基复合材料的研究

碳纤维增强的先进树脂基复合材料由于其优异的力学性能，在航空航天、汽车等诸多领域有着广泛的应用。除了基体材料的组成、结构和性能外，复合材料的界面性质是决定其是否能将碳纤维和树脂材料的优势相互结合和促进的关键，而利用偶联剂来构建和改性复合树脂材料的界面是提高其综合性能最有效的手段之一。叠氮衍生物易分解生成活泼的氮烯，很容易与碳氢化合物发生插入反应，形成稳定的共价键。本项目在已有制备聚三唑树脂和叠氮化合物的基础上，针对碳纤维和树脂表面化学键的共同点，提出设计制备系列具有双亲效应的双叠氮化合物作为偶联剂，通过研究偶联剂对碳纤维增强树脂复合材料界面性质的影响和调控机理，确立偶联剂的组成、结构-复合材料界面性质-复合材料力学性能之间的关联，在此基础上获得性能优异的碳纤维增强树脂基复合材料。本项目的开展对研制通用型碳纤维增强树脂基复合材料用偶联剂，拓展碳纤维复合材料的应用具有重要的科学意义。

高性能纤维增强先进树脂基复合材料在国民经济各个领域的应用越来越广泛，复合材料的界面增强一直是其中的重点和难点。本项目主要以新型低温固化高温使用的高性能聚三唑树脂复合材料为研究对象，结合树脂、碳纤维的结构特点，设计制备通用型双官能团叠氮偶联剂，以期改善复合材料的界面粘接。按照研究计划，完成了既定的研究内容，达到了预期目标，解决了研究难点，突破了关键技术瓶颈。首先合成了系列新型的双官能团叠氮偶联剂-双叠氮化合物和叠氮基硅烷，表征了偶联剂的结构，对比了官能团的不同对复合材料界面粘接的影响，推测了偶联剂的作用机理。双叠氮化合物中叠氮基团部分分解，形成活泼中间体“氮烯”，发生插入反应，接入到纤维表面的碳氢单键和碳碳双键中，形成牢固的共价键，未分解的叠氮基参与树脂的固化，发生1,3-偶极环加成反应。而叠氮硅烷首先在弱酸性下水解，与纤维表面形成牢固的Si-O-Si键等，叠氮基参与树脂的固化。偶联剂均通过化学桥接作用，改善碳纤维与树脂基体的界面粘接，将树脂基体与增强纤维良好结合，提高了复合材料的力学性能。在优化的工艺条件下，即添加纤维质量2%的双叠氮基偶联剂，200℃处理30分钟，T300B碳布增强复合材料的界面粘接强度显著提高，剪切强度提高89%；双叠氮偶联剂通过预处理的方法作用于单向T300B碳纤维，也同样适用于复合材料缠绕成型。当偶联剂浓度为纤维质量的2 %时，复合材料的层间剪切强度最高增加18.4%，弯曲强度和弯曲模量分别最高提升14.1%和6.76%，提供了叠氮偶联剂工业应用于碳纤维增强聚三唑树脂复合材料的基础数据。其次进行了碳纤维表面预处理的研究。不同表面预处理如高温处理、硝酸氧化、丙酮抽提上浆剂和氨水处理等，均可增加纤维的极性，提高纤维在树脂胶液中的浸润性能，增强与聚三唑树脂基体的氢键合，改善碳纤维与树脂基体的界面粘接，碳布增强复合材料的层间剪切强度分别提高了47.0%、36.7%、63.3%和45.3%。最后在基金研究内容基础上，拓展了通用型偶联剂的研究领域，设计制备了含异氰酸酯和氮丙啶等其他含N偶联剂，开展偶联剂与其他高性能纤维如石英纤维、芳纶纤维等增强的树脂复合材料的界面增强研究，初步获得较好的实验结果。本基金项目的工作开展，为研制纤维增强树脂基复合材料通用型偶联剂，拓展复合材料的应用提供了一种思路。