一種原子氧改善PBO纖維/環氧複合材料界面性能的方法及應用與流程
2023-08-04 10:44:11
本發明涉及一種PBO（聚對苯撐苯並雙噁唑）纖維表面改性方法及應用，具體涉及一種原子氧改善PBO纖維/環氧複合材料界面性能的方法及應用。
背景技術：
PBO纖維作為一種高性能的芳香族雜環聚合物，是通過液晶紡絲製得的一種高性能纖維。PBO纖維作為新一代先進複合材料的增強體，具有非常優異的力學性能和耐高溫性能，被譽為「21世紀的超級纖維」。PBO纖維規則有序的取向結構在賦予其優異性能的同時，也導致纖維表面非常光滑且呈化學惰性，與樹脂基體不能良好的浸潤，嚴重製約了其在複合材料中的應用。因此，通過改善PBO纖維表面的物理、化學狀態，增強其與樹脂基體之間的界面結合強度，已成為各國研究人員普遍關注的熱點問題。目前，常用的PBO纖維表面改性方法有：酸處理、等離子體處理、表面塗層處理及化學接枝處理等。總體上講，物理法工藝簡單、易操作，但界面改善效果不夠明顯；化學法能夠使纖維表面形成了大量的羥基、羧基等極性基團，界面改善效果較好，但化學處理會給纖維的結構帶來相當程度的損傷從而影響複合材料的強度。PBO纖維的結構如下：。原子氧作為近地球軌道中最主要的成分，是大氣層頂部的氧氣分子與太陽紫外線(λ≤243nm)相互作用使其光致解離而形成的。原子氧具有很強的氧化性，能夠與材料直接發生化學反應。對於需要長期在低軌道上運行和工作的太空飛行器，例如空間站、長壽命及衛星等，原子氧侵蝕將十分嚴重。地面模擬實驗作為一種經濟有效的研究原子氧侵蝕效應的方法，能夠揭示原子氧與材料相互作用的機理，定性和定量地了解原子氧能量、通量和環境粒子對材料性能的影響，並為空間材料的選擇和評定提供應用和設計參數。
技術實現要素：
為了解決現有PBO纖維表面呈化學惰性導致與基體樹脂浸潤性差的問題，本發明提供了一種原子氧改善PBO纖維/環氧複合材料界面性能的方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種原子氧改善PBO纖維/環氧複合材料界面性能的方法，具體是按以下步驟完成的：一、將PBO纖維置於燈絲放電磁場約束型原子氧效應地面模擬試驗設備的真空室內，在真空室氣壓為0.05~0.2Pa、放電電壓為100~150V、放電電流為100~190mA、原子氧通量約為1.5×1015~9.5×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理1~4h。二、將經過原子氧輻照處理後的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質量比1~5:1稱取環氧樹脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻後在纖維單絲上點直徑為100~200μm的樹脂球，隨後置於烘箱中進行固化，製備成經過界面改性的PBO纖維/環氧樹脂微複合材料，固化程序為90℃保持1~3h，120℃保持1~3h，150℃保持2~5h。本發明採用原子氧地面模擬實驗設備對PBO纖維進行短時間的輻照處理，旨在藉由原子氧的氧化作用提高纖維表面的粗糙度和極性，從而達到改善PBO纖維/環氧複合材料界面性能的目的。此外，短時間的輻照處理能夠保證原子氧與纖維的相互作用僅發生在表麵皮層，不會對纖維的本體強度帶來明顯的負面影響。本發明操作簡便，成本較低，處理時間相對較短，改性效果明顯，纖維本體性能損失小，可以實現批量處理，適用於工業化生產。附圖說明圖1為實施例1中原子氧改性PBO纖維的SEM表面形貌圖；圖2為實施例1中原子氧改性前後PBO纖維/環氧複合材料的界面剪切強度（IFSS）測試結果；圖3為實施例1中原子氧改性前後PBO纖維的單絲拉伸強度測試結果；圖4為實施例2中原子氧改性PBO纖維的SEM表面形貌圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但並不局限於此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍中。實施例1：一、製備經過界面改性的PBO纖維/環氧樹脂微複合材料（1）將PBO纖維置於燈絲放電磁場約束型原子氧效應地面模擬試驗設備的真空室內，在真空室氣壓為0.15Pa、放電電壓為120V、放電電流為140mA、原子氧通量約為7.1×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理2h。（2）將經過原子氧輻照處理後的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質量比3.13:1稱取環氧樹脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻後在纖維單絲上點直徑為130μm的樹脂球，隨後置於烘箱中進行固化，製備成經過界面改性的PBO纖維/環氧樹脂微複合材料。固化程序為90℃保持2h，120℃保持2h，150℃保持3h。二、測試方法1、PBO纖維/環氧複合材料界面性能測試：利用複合材料界面性能評價測試儀(FA-620,日本東榮株式會社)對改性前後的PBO纖維/環氧樹脂微複合材料的界面剪切強度(IFSS)進行測試。每種條件測40個左右樹脂球，最後計算界面剪切強度平均值。IFSS計算公式如下所示：，式中:Fmax為脫粘力，N；d代表纖維直徑，m；l是樹脂球的包埋長度，m。2、PBO纖維單絲拉伸強度測試：利用微機控制電子拉力試驗機進行纖維單絲拉伸強度測試。制樣和測試的方法是按照ASTM-D3379標準《高模量單絲材料拉伸強度和楊氏模量測試方法》，首先將PBO纖維單絲用膠粘劑固定在紙框(外圍尺寸100mm×20mm，中框尺寸20mm×10mm)中線上，待膠合劑固化乾燥後將樣品紙框放入微機控制電子拉力試驗機的上下夾具中間旋緊固定，剪斷紙框，以10mm/min的速度加載，當纖維被拉斷時，記錄下最大載荷。每種纖維樣品測50次有效數據取平均值。單絲拉伸斷裂強度按下式計算：，式中：為纖維拉伸斷裂強度，GPa；為纖維斷裂時的拉力值，N；為纖維直徑，m。三、結果表1原子氧改性前後PBO纖維表面元素含量的變化從表1中所列數據可以看到，未處理PBO纖維表面的碳、氧、氮元素含量分別為87.63%、7.93%和4.44%，O/C比為9.04%，N/C比為5.06%。當經過原子氧輻照處理後，PBO纖維表面碳元素的含量下降為75.17%，氧元素的含量大幅提高到20.47%，與此同時，O/C比和N/C比分別增加至27.23%和5.8%，說明纖維表面的極性官能團含量得到大幅增加，這有利於提高纖維的表面能，改善纖維與樹脂基體之間的浸潤性。從圖1中可以看到，PBO纖維表面有大量的凸起物，是由原子氧對纖維表面轟擊和氧化造成的。這些凸起物的存在顯著提高了PBO纖維表面的粗糙程度，能夠增強纖維與樹脂基體之間的機械嚙合作用。從圖2中可以看到，未處理PBO纖維複合材料的IFSS為20.1MPa，原子氧改性PBO纖維複合材料的IFSS為34.2MPa，提高了70.2%。經過原子氧輻照處理後纖維表面粗糙度和極性的提高是複合材料界面性能得到顯著改善的主要原因。從圖3中可以看到，未處理PBO纖維的拉伸強度約為5.8GPa，原子氧改性PBO纖維的拉伸強度為5.5GPa，僅下降了5.2%，纖維仍保持了理想的本體強度。測試結果表明，短時間的原子氧輻照處理僅作用在PBO纖維的皮層部分，因而未對纖維的力學性能造成較大的影響。實施例2：（1）將PBO纖維置於燈絲放電磁場約束型原子氧效應地面模擬試驗設備的真空室內，在真空室氣壓為0.16Pa、放電電壓為150V、放電電流為150mA、原子氧通量約為9.5×1015atom/cm2·s的條件下，原子氧輻照處理4h。（2）將經過原子氧輻照處理後的PBO纖維單絲用雙面膠粘貼在樣品支架上，以質量比4:1稱取環氧樹脂E-51和固化劑3,3-二乙基4,4-二氨基二苯基甲烷，將兩者混合均勻後在纖維單絲上點直徑為140μm的樹脂球，隨後置於烘箱中進行固化，製備成經過界面改性的PBO纖維/環氧樹脂微複合材料。固化程序為90℃保持3h，120℃保持3h，150℃保持4h。從圖4中可以看到，由於原子氧通量的增大和輻照時間的延長，PBO纖維表面的凸起物明顯增加，說明纖維受到的損傷增大，不利於保持纖維的本體強度。另外，輻照時間過長同樣不能滿足工業化生產的要求。