[发明专利]高模量纤维增强聚合物复合体

说明书

参考文献的并入

出于一切目的，2012年10月15日提交的美国临时申请No.61/713,928、2012年10月15日提交的美国临时申请No.61/713,939、2013年9月4日提交的美国临时申请No.61/873,647和2013年9月4日提交的美国临时申请No.61/873,659每篇均通过参考以其全部内容并入本文。

技术领域

本发明提供创新性的纤维增强聚合物组合物，其包含增强纤维和粘合性组合物，其中，所述粘合性组合物经固化后具有至少3.2GPa的树脂模量和至少2mm的挠曲畸变，并且与具有至少200GPa或甚至超过300GPa的拉伸模量的增强纤维良好键合，从而得以同时提高层间剪切强度、断裂韧性、压缩特性及拉伸特性。

背景技术

当通过树脂基质将增强纤维键合到一起来制备纤维增强聚合物组合物时，纤维表面上官能团的存在是非常关键的。并且，形成的键必须能够耐受环境条件及/或恶劣条件。键强度(即，为了将(固化的)树脂与和固化树脂接触的纤维分离所需要的每单位界面面积的力)是对粘合力的量度。最大粘合力并非是通过观察纤维与树脂间的粘合破坏来获得的，而主要是通过观察树脂和纤维之一或二者的内聚破坏而获得的。

为了形成强键合，首先要在初始纤维表面上有利地导入氧官能团；第二，还可以对粘合促进剂加以选择，使得该粘合促进剂的一个端部能够和纤维表面上的氧官能团共价键合，另一端部能够促进或参与和树脂中官能团之间的化学相互作用。基本上，粘合促进剂起到固化期间联结纤维与主体树脂间的桥梁的作用。等离子体处理、紫外线处理、电晕放电处理或湿式电化学处理等表面处理经常被用于将氧官能团导入到纤维表面上。

最终，为了实现强键合，在纤维和树脂间的界面处不能存在空隙，也就是说，固化后它们之间形成充分的分子接触。该界面经常被认为是体积区(volumetric region)或界面相(interphase)。该界面相可以从纤维表面扩展几个纳米至若干微米，这取决于上浆处理过的纤维表面的化学组成、纤维与主体树脂间的化学相互作用及固化期间其他化学基元向界面的迁移。该界面相因此具有非常独特的组成，并且其性质与纤维表面或主体树脂的性质相差很大。进而，因纤维与树脂间的模量不匹配而导致在界面相存在高应力集中，由此而经常容易发生龟裂。这种高应力集中，有时因树脂的化学脆化(由纤维诱发)、及热膨胀系数不同导致的局部残留应力而增大，结果导致一旦施加负荷就会发生复合体的灾难性破坏。

一般而言，不充分的粘合力可能使龟裂能(crack energy)沿着纤维/母体间的界面消散，但这以从粘合剂经由界面相朝向纤维的应力传递能力方面的很大牺牲为代价。另一方面，强粘合力经常导致界面基质脆变的增加，导致在这些区域内发生龟裂并扩展至树脂富集区。进而，因为纤维破裂端的龟裂能无法沿着纤维/母体间的界面消减，所以通过将邻接纤维实质性地破断而转移到其间。由于这些原因，目前最新的纤维复合体体系需要被设计为能够实现最佳的粘合水平。

碳纤维是在要求高强度、高模量、轻质的结构材料用途中最重要的增强纤维。由于初始纤维的表面结构，对于用于实现基质树脂与碳纤维的键合的表面处理种类以及表面处理类型的选择变得越来越重要。前体类型、纺丝工艺和碳化温度是重要的参数。成功的表面处理应当能使氧官能团在表面均匀分布，并且不要破坏纤维或使其脆弱。

高模量碳纤维(HMCF)(即拉伸模量大于300GPa的碳纤维)在需要承受旋转负荷、弯曲负荷、扭曲负荷的部件中以及在低温条件或需要高电性质或热性质的场所的使用中非常重要。但不幸的是，因为表面上高度组织化的结晶结构，很难使表面氧化，因此如何向这种纤维上键合树脂成为纤维增强聚合物复合体领域中的终极挑战。其结果导致HMCF在这些应用中的用途非常有限，或根本就无法实现。