[发明专利]高抗冲界面改性的CF/PEEK复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高抗冲界面改性的CF/PEEK复合材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：(1)将CF表面原有的上浆剂高温分解；(2)在饱和水蒸气环境中，对CF同时进行微波辐射和紫外光辐照，产物记为ACF；(3)将ACF浸入聚芳砜(PSF)/N,N‑二甲基乙酰胺溶液，取出后干燥，得到上浆改性碳纤维MCF；(4)将MCF与PEEK材料叠层热压；即得高抗冲界面改性的CF/PEEK复合材料；高抗冲界面改性的CF/PEEK复合材料的弯曲强度为700‑950MPa，弯曲模量为50‑65GPa，层间剪切强度(ILSS)为75‑90MPa，反映抗冲击性能的冲击后的剩余压缩强度(CAI)为260‑310MPa。本发明的方法特点为高效、环保、可实现规模化生产，制得的复合材料可替代金属用于航空航天、医疗、机械、汽车和轨道交通、石油运输等领域。

技术领域

本发明属碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料技术领域，涉及一种高抗冲界面改性的CF/PEEK复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，热塑性复合材料由于具有良好的可回收性、可二次加工性、高韧性、高比强度和高比模量等优势，受到广泛关注。在各种热塑性复合材料中，CF/PEEK具有高刚度、高热稳定性、耐化学腐蚀性、耐磨性、生物相容性等优异性能，有望作为结构材料，代替工艺成熟的金属或热固性复合材料，广泛应用于航空航天、医疗、机械、汽车和轨道交通、石油运输等领域。

然而，CF/PEEK热塑性复合材料的实际应用情况不容乐观。主要问题在于碳纤维与PEEK基体的界面相互作用较弱、浸润性很差，在复合材料成型加工过程中容易产生孔隙。其根本原因是CF呈较稳定的六元环结构，表面由非极性的且由高度有序的石墨基面构成，使得纤维表面含有较少的活性官能团，而PEEK熔体粘度高，因此碳纤维与PEEK树脂间浸润性较差，界面粘结强度较弱。作为纤维与树脂基体间载荷传递的纽带，界面层的结合强度很大程度上影响整体复合材料的力学性能，低界面强度的复合材料在受到破坏时，裂纹沿界面扩展，纤维的增强作用得不到良好发挥，从而使复合材料强度远低于理论值。

对CF进行表面改性处理，可以解决上述问题，增强纤维与基体之间的相互作用。已知技术有两类，一是“活化(有时也称氧化)”，二是“上浆”。可以单一使用，也可组合叠加使用。活化改性的原理是在纤维表面引入活性官能团，增加纤维与聚合物基体间化学键或氢键的数量，通过强大的化学作用提高复合材料的界面粘结强度。上浆改性的原理是通过溶液或乳液涂层，使聚合物(可不同于基体)薄层附着到纤维表面，利用其能够同时与纤维和基体间产生强相互作用的特性，在原本相互作用弱的纤维和基体间架起一座桥梁，增强两者关联性。

现有活化技术包括等离子体处理、阳极电解或电沉积处理、强酸处理、臭氧处理、微波超声共处理等。活化的过程可能会降低CF单丝强度，需要寻找活性基团数量和CF单丝强度的平衡，让CF表面产生尽量多的羟基和羧基等基团，产生尽量多的沟槽以便增加与基体间的接触面积，但同时要尽量低程度损失单丝强度。

现有上浆技术包括反应型上浆剂和涂层型上浆剂等。

现有技术虽然在某些方面取得效果，但存在各种缺陷或不足，导致在针对PEEK这种需要～400℃高温成型加工的基体时，难以实现工业化生产。

如等离子体处理CF时，丝束外层与内层效果差异显著，外层的活性基团多、单丝强度损伤很大时，内层CF的活性往往还未被改善。因此稳定性差，离散度大，不适宜工业化生产。

阳极电解或电沉积处理工艺处理丝束有效，但处理织物比较困难，单丝强度降低幅度较大。

强酸处理由于大量废酸废液产生，所以环境污染较大；多为间歇操作，所需处理时间较长，与CF生产线相匹配有困难；且对设备耐腐蚀性要求很高，操作危险系数高，因此在工业化生产中几乎不被考虑。

臭氧处理会产生大量的对人体有害的臭氧，对含臭氧废气的处理会大幅增加成本，这种不环保的方式也正在被逐渐摒弃。