实现高性能热塑性复合材料
矩阵光纤接口优化方法
矩阵光纤接口优化方法
第三种增容相的化学修饰/添加连接了纤维和基体相。它改善了许多聚合物复合体系的界面特性。由于复合材料的力学性能和性能不仅取决于复合材料的纤维和基体的性能，而且还取决于复合材料的界面结合质量。
下表中的数据说明了这一事实。给出了尼龙6,6/碳纤维复合材料的模量数据，该复合材料使用无尺寸的碳纤维和碳纤维在纤维表面含有聚氨酯(PU)。结果表明，PU的存在对测得的模量有很大影响。观察到的增幅超过50%。模量的增加是由于复合材料中界面键的改善。
| 碳纤维 |
模量(MPa) |
| 无浆 |
8870 |
| 聚氨酯分级 |
13600 |
模数尼龙6,6/碳纤维复合材料
根据矩阵的性质，你应该尝试得到哪个官能团?
不像聚酰胺，聚烯烃需要增强纤维表面的不同官能团来促进化学相互作用。任何热塑性聚合物材料都没有普遍适用的表面功能。相反，对于作为热塑性复合材料基质材料的特定热塑性聚合物，最有效的官能团是不同的。
因此，在选择增强纤维的适当表面处理时，要考虑复合材料中使用的基质聚合物。否则，你就不会得到最有效的化学功能。这可能会导致光纤/基体界面没有得到优化，也无法达到理想的物理性能。这将影响复合材料在最终使用应用程序中的性能。
非极性矩阵(聚烯烃) |
- 最理想的表面基团主要是非极性的。
- 这通常可以通过使用含有烷基的硅烷材料来实现。
- 这些表面功能与热塑性复合材料中的聚烯烃基质聚合物兼容，因此，将提供兼容性。
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极地矩阵 （尼龙，宠物） |
- 在纤维表面产生羰基和羟基等官能团是最有效的。
- 这些化学基团能够与基体聚合物发生化学作用甚至化学反应。
- 与使用没有羰基或羟基的纤维相比，这些相互作用将导致更好的界面。
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在我们的独家指南中，找出更容易选择基体或树脂的解决方案．
矩阵/光纤接口优化可以通过以下方法实现:
- 纤维表面的化学改性
- 使用施胶剂/增容相
纤维表面的化学改性
纤维表面的化学改性
提供表面功能的氧化方法包括在液体或气体环境中进行氧化反应。它们在增强纤维表面形成含氧官能团，如羧基、羰基、内酯和/或羟基。同时，这些氧化方法也增加了纤维的表面积。这些改善了应力从柔韧的弱基体聚合物向强而硬的增强纤维的转移。
| 化学改性 |
| 好处 |
限制 |
- 化学改性方法的主要优点之一是可以在纤维表面添加许多不同的官能团，包括羰基、羟基、羧基等。
- 它可用于引入与热塑性复合材料中任何基质聚合物的化学相互作用。
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- 大多数化学修饰方法不能有效地控制特定官能团的浓度。相反，几个不同的官能团被同时添加。
- 添加的一些官能团不会有效地促进与基体聚合物的相互作用。因此，修正方法的效率低于其他方法。
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化学改性方法
用于处理热塑性复合材料中的纤维表面的化学改性方法包括:
- 湿化学腐蚀
- 火焰氧化
- 紫外/臭氧处理
- 电晕和氧等离子体治疗(非常有效)
其中，化学蚀刻通常能够在纤维表面提供特定的化学基团。因此，控制纤维表面的化学成分是可能的。其他方法通常在纤维表面产生几种不同的化学基团。因此，很难产生所需化学功能的特定浓度。
化学腐蚀
(来源:精密微)
氧等离子体治疗是最有效的．它增加了复合材料中的界面键。但是，氧等离子体的一个限制是它们通常是在真空中产生的。为了得到适当的处理，将零件插入密封腔内，在排出前将气体抽走。这些因素导致真空操作需要昂贵的设备，必须小心维护。此外，它比所使用的其他过程更昂贵和耗时。
上浆剂/增容的阶段
上浆剂/增容的阶段
上浆工艺是最常用、最有效的优化方法之一。它为增强纤维提供了所需的化学功能。施胶剂又称基体增容剂。
当使用上浆剂时，一层薄薄的聚合物附着在纤维表面，保护纤维在加工和处理过程中不受损伤。除了施胶剂所提供的与基质聚合物的化学相互作用外，还有这种作用。为了提高纤维的表面润湿性或增加表面官能团的数量，已经开发了几种方法。
增强纤维与基体树脂之间的界面结合可以通过扩大表面积来增强，这为纤维与基体聚合物之间提供了更多的接触点/锚固点。增强纤维和基体之间的界面结合可以增加的另一种方式是通过增加复合材料中成分材料之间的物理化学相互作用。
聚合物层通常以低于复合材料总质量1%的浓度应用。热固性复合材料最常用的涂料是环氧树脂而且酚醛树脂等等。然而，这些施胶剂的温度稳定性一般不超过300℃，这接近大多数热塑性材料的加工温度。聚氨酯可用来使用尼龙基体聚合物并能有效改善使用这些聚合物的复合材料的界面。表1中的数据已经表明了这种影响。
水中悬浮体半固化片
聚亚醯胺可用于结构热塑性复合材料采用预浸渍和复合材料制造技术称为水悬浮液预浸渍。
一期-该技术利用聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸，允许聚合物基体在单一预浸渍步骤中与聚酰胺酸一起应用于加固。该方法使用与碱中和的聚胺酸来生产盐。然后，以粉末形式的聚合物基体分散在聚胺酸盐的水溶液中，聚胺酸盐起到分散剂的作用。
二期-在该过程的第二阶段，聚酰胺酸被热转化为聚酰亚胺，作为热塑性基质聚合物的有效上浆剂。这种方法已经被证明是有效的裴而且偷看在热塑性复合材料中作为基体材料。这一概念的有用性已被证明是由于聚酰亚胺和被利用的基质聚合物之间的化学相互作用。
按照刚才讨论的推理技术路线，我们希望有与增强纤维相连的化学官能团，这些官能团可以与热塑性基体聚合物中所含的化学官能团相互作用。但是，在一些基体聚合物的情况下，如聚乙烯或聚丙烯在美国，没有高度反应的化学基团。在这种情况下，还可以使用一种稍微不同的方法来改进界面。
PEEK聚合物悬浮液浸渍碳纤维织物:a) PAA BTDA/ODA间相和b) PMDA/ODA间相。
(来源:研究门)
为什么要使用第三个组件?
在上面讨论的情况下，最常见的方法是使用功能化聚烯烃作为热塑性复合材料的第三组分。典型的可加到聚烯烃上的官能团包括:
那些官能团通常加在碱性聚烯烃上按重量计，含量低于5%。含有这些基团的功能化聚合物通常以1-2%的重量添加到复合材料中。
在热塑性复合材料中使用这种材料的一般概念是，聚烯烃基功能化聚合物将与热塑性基体聚合物兼容。
添加第三个组件的优点
另一方面，出现了官能团将允许潜在的相互作用在增强纤维上具有相应的表面化学基团。从这个意义上说，第三组分的存在充当了增强纤维和基体聚合物之间的桥梁。它的作用本质上是在复合材料中两种化学性质不同的材料之间充当增容剂。在这方面最重要的是介绍了热塑性复合材料中两个组分之间的化学相互作用的可能性。
与前面讨论的其他方法相比，这种方法通常是改进复合接口的成本较低的方法。它不涉及额外的加工步骤，而只是包括在热塑性复合材料的制造中添加第三种材料。因此，生产过程与为不包含第三组分材料的初始复合材料开发的过程相同。由于这一事实，该技术的实现将相对容易和直接。
添加第三个组件的缺点
- 使用第三组分的最大问题是，为了使其最有效，增容剂应该迁移和扩散到基质和聚合物之间的界面。
- 为了保证迁移效果，增容材料需要具有低分子量。
- 为了确保到达界面的第三种材料有足够的浓度，可能需要使用大于1- 2%的最佳浓度。
- 低分子量和浓度的增加都会降低最终复合材料的机械强度。因此，增容剂所能提供的性能将会有一些损失。
作为热塑性复合材料在它们的使用不断扩大的同时，界面的优化也将继续是一个挑战。本指南中提出的想法可以作为理解需要考虑的因素的指南。随着更多应用程序的开发，将需要在这个主题上继续努力。这些努力将使复合材料性能的最高价值得以实现，并将使热塑性复合材料在新的应用领域得到有效利用。此外，由于考虑使用不同的聚合物作为热塑性复合材料的基体材料，有必要开发有效的方法来优化它们与增强纤维的界面。这种优化将允许在新的和新兴的发展中最有效地利用热塑性复合材料。
观看教程:如何为高温复合材料选择上浆剂»
热塑性复合材料的施胶剂化学
随着热塑性复合材料在使用温度方面的不断扩大，额外的化学物质正在开发，以满足施胶剂的热稳定性需求。聚酰亚胺正获得更多的研究和兴趣，由于他们高耐溶剂性而且高操作温度．
的使用聚酰亚胺作为施胶剂的应用越来越广泛随着热塑性复合材料的使用温度继续增加到300°C或更高。例如，同时使用PEEK和PEI作为基质聚合物需要300°C以上的加工温度，因此，适当的施胶剂需要高的热稳定性。
下表总结了可用作施胶剂的各种化学物质。它还将总结每种化学方法最有效的一些热塑性聚合物。同时，对每种化学方法的优缺点进行了总结。为了完整起见，本表中包括环氧化合物，以说明它们与其他化学物质的比较情况。
热塑性复合材料常用的施胶剂化学成分
从这个表中可以看出，所有的分级剂都有一定的优缺点。因此，对于热塑性聚合物基体材料PP和PBT，推荐的硅烷施胶剂相对便宜，但通常存在热稳定性问题。
然而，这些热稳定性问题不是很严重，因为PP和PBT通常不用于高温。另一方面，对于更专业的热塑性塑料，如PEI和PEEK，推荐的上浆剂有很好的热稳定性，但相当昂贵。一般来说，这不是主要的问题，因为利用这些特殊聚合物作为基质聚合物的热塑性复合材料通常有应用，价格不是主要的问题。
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