國儀量子掃描電鏡助力水性上漿劑在碳纖維改性方面的微觀結構分析

雜萘聯苯聚芳醚酮（PPEK）是一種特種工程塑料，具有出色的耐熱性、力學性能、尺寸穩定性和耐化學性，這些特性使其在復雜摩擦環境中具有廣泛的應用前景。然而，純PPEK的摩擦系數和磨損系數較高，因此需要改善其摩擦性能。顆粒填充和纖維摻雜等方法可以有效提升其性能，其中短切碳纖維（SCF）因其出色的力學性能、導熱性和增強能力，被廣泛用于改性PPEK。然而，SCF的光滑表面和化學惰性導致樹脂對其的浸潤性較差，這嚴重制約了CF/PPEK復合材料的發展。

針對上述問題，大連理工大學化工學院蹇錫高教授團隊借助國儀量子掃描電鏡進行了深入研究，開發了一種新型環保水基上漿劑HPPAEN-COOH，具有優異的耐熱性能（Tg = 253℃，T5wt% = 330℃）和良好的水溶液穩定性，顯著增強了SCF與PPEK樹脂之間的界面結合能力。UCF/HPPAEN-COOH/PPEK復合材料的初始儲能模量為3.50 GPa，彎曲強度和壓縮強度分別為150.6 MPa和169.9 MPa，相較于UCF/PPEK，分別提高了25.9%、11.4%、8.4%。此外，復合材料的摩擦性能顯著提升，在干摩擦和三號噴氣燃料環境下的磨損系數較未改性材料分別降低了52.3%和46.3%。該研究以題為“A novel water-soluble sizing agent that enhances the interface and tribological characteristics of CF/PPEK composites "的論文發表在《Composites Part B》上。

水性上漿劑的制備

使用DHPZ、DHBA和DFBN作為原料，K2CO3作為鹽化劑，甲苯作為脫水劑，通過溶液縮聚合成了含羧基結構的雜萘聯苯聚芳醚酮（PPAEN-COOH）。進一步將上述產物中的氰基水解成為羧基，實驗操作如下：將5g PPAEN-COOH樹脂粉末和200ml 6 mol/L KOH溶液置于三頸燒瓶中，設置冷凝回流裝置和機械攪拌裝置，在100℃條件下反應8h。結束后，將溶液趁熱倒入燒杯中，并用稀鹽酸溶液調節pH = 7，抽濾、洗滌、干燥后得到HPPAEN-COOH樹脂。溶解于100 mL 0.2 g/L KOH溶液中，在25℃下攪拌2小時后過濾去除雜質，得到水性HPPAEN-COOH上漿劑。

圖1.上漿劑的制備及表征

復合材料的力學和熱性能

利用DMA對CF/PPEK復合材料的儲能模量（E′）和損耗因子(tanδ)進行測試。CF-COOH、CF-0、UCF分別代表用三種不同處理的纖維制備的PPEK復合材料，它們的初始儲能模量分別為3.50GPa、2.97GPa和2.78GPa，表明上漿劑有效改善了復合材料的界面性能。進一步測試了復合材料的彎曲強度和壓縮強度。CF-COOH/PPEK復合材料的彎曲強度及壓縮強度分別為150.6MPa和169.9MPa，比UCF/PPEK復合材料（分別為135.2MPa和156.8Mpa）分別提升了11.4%和8.4%。利用激光導熱儀分析了UCF和CF-COOH復合材料的導熱性能。經過上漿劑處理后，復合材料的導熱系數為0.288 W/(m·K)，比UCF的0.254 W/(m·K)提升了13.4%。這種出色的導熱性能有助于及時轉移摩擦熱，從而避免磨損加劇。

圖2.復合材料的力學和熱性能

復合材料的摩擦性能

在干摩擦條件下，三種材料的摩擦系數相近，然而CF-COOH/PPEK的磨損系數僅為2.23×10?1? m3/Nm，較UCF的4.68×10?1? m3/Nm降低了52.3%。在三號噴氣燃料潤滑下，復合材料的摩擦系數和磨損系數顯著降低，其中CF-COOH/PPEK的磨損系數為6.6×10?1? m3/Nm，比UCF降低了46.3%。在油介質的作用下，摩擦轉移膜形成速度加快，因此三種材料的磨合期均較短，迅速趨于穩定。實驗結果表明，HPPAEN-COOH上漿劑的應用顯著降低了復合材料的磨損系數，顯示出在干摩擦和油潤滑環境下的良好應用前景。

圖3.復合材料的摩擦性能

復合材料的界面的界面強化機理與磨損表面形貌

進一步利用SEM對不同潤滑條件下的CF/PPEK復合材料的磨損表面形貌進行了分析。在干摩擦條件下，未使用上漿劑處理的復合材料表面出現嚴重的基體剝落，且部分UCF在摩擦的過程中脫離出基體，裸露在外。這說明PPEK對惰性的UCF表面附著力較差，這種界面缺陷容易引起應力集中，從而加速磨損。而經過上漿劑處理后的復合材料表面僅有輕微的劃痕，CF表面較為光滑且均勻包裹著一層樹脂，說明纖維與基體的結合能力較強。總而言之，HPPAEN-COOH有效的阻止了纖維拔出，而且能夠及時傳導摩擦熱，使復合材料的摩擦機理由黏著磨損和疲勞磨損轉變為輕微的磨粒磨損。

圖4.復合材料的界面強化機理與磨損表面形貌

這項工作設計的上漿劑能夠有效改善復合材料的界面性能和摩擦學性能，為高性能熱塑性樹脂基復合材料的研發及界面改性機制的微觀研究提供了新思路。