改性碳纤维对聚苯醚复合材料的力学性能和摩擦性能的影响

Effect of Modified Carbon Fibers on Mechanical Properties and Wear Resistance of Polyphenylene Oxide Composites

摘要

采用聚多巴胺（PDA）对碳纤维进行表面改性制备聚苯醚（PPO）复合材料，以改性碳纤维为填料，探究不同填料比例对复合材料力学及摩擦性能的影响。结果表明：加入PDA改性碳纤维，PPO复合材料的力学性能和耐磨性能得到改善。改性碳纤维添加量为4%时，PPO复合材料的拉伸强度较纯PPO材料的增加了20%，断裂伸长率维持在123%，冲击强度为14.5 kJ/m²，层间剪切强度为32 MPa。随着改性碳纤维添加量的增加，复合材料的摩擦系数呈现先上升后下降的趋势，且在改性碳纤维添加量为4%时达到最高。

关键词

聚多巴胺 / 碳纤维 / 聚苯醚 / 力学性能 / 磨损性能

Key words

Polydopamine / Carbon fiber / Polyphenylene oxide / Mechanical properties / Wear resistance

聚苯醚(PPO)是一种热塑性线性非结晶聚醚，具有高强度、高热变形温度和高耐化学性，是重要的工程塑料之一^[1]。但是PPO材料也存在流动性差、缺口冲击强度低、加工成型困难等缺陷^[2-4]，导致其产业化发展受到限制。通常对PPO进行改性处理，提升PPO复合材料的综合性能^[5-7]。目前，PPO改性的方法主要包括物理改性和化学改性，物理方法包括共混、填充、增强和微发泡等方法，化学方法主要包括共聚、嵌段、接枝等。碳纤维(CF)是一种质量轻、力学性能好的材料^[8]，CF的强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍，且具有成型快速、加工简单、回收利用简单等优势^[9-10]，在改善复合材料力学性能方面将发挥一定的作用。已有研究在聚氯乙烯/聚苯醚(PVC/PPO)中添加CF制备PVC/PPO/CF复合材料，发现添加6% CF可以有效增强复合材料的拉伸强度和抗冲击性能，相比纯PVC/PPO增加18.11%和24.8%^[11]。

然而，CF和聚合物之间的界面不相容，限制了CF提高材料的力学性能^[12]。对CF进行表面处理可以提升对界面的增强效果。表面氧化法^[13]、化学接枝法^[14]是改善CF界面性能常用的方法。聚多巴胺(PDA)是一种具有强黏附性的材料^[15-16]，可以与CF形成氢键^[17-18]，在提升其和聚合物相容性的基础上，进一步增强聚合物的拉伸、抗冲击等性能^[19]。本实验以PDA改性CF为主要填料，制备PPO复合材料，以提高PPO复合材料的界面强度。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳纤维布(CF)，KCF，天津市科密欧化学试剂公司；丙酮(C₃H₆O)，纯度99.5%，天津市科密欧化学试剂公司；盐酸多巴胺，纯度98%，天津市科密欧化学试剂公司；三（羟甲基）氨基甲烷，分析纯，天津市科密欧化学试剂公司；聚苯醚(PPO)，纯度98%，天津市科密欧化学试剂公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，天津市科密欧化学试剂公司；硬脂酸，化学纯，天津市科密欧化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

拉伸试验机，ZwickiLine，德国ZwickRoell有限公司；摩擦磨损测试仪，UMT TriboLab，德国BRUKER有限公司；傅里叶变换红外光谱仪器(FTIR)，NicoletiS20，美国赛默飞世尔科技公司。

1.3 样品制备

1.3.1 CF的表面改性处理

参照王刚等^[20]研究，在CF表面自聚合沉积多巴胺对其改性，将CF在V（乙醇）:V（丙酮）=1的混合液中浸渍24 h，取出后洗涤干净且风干。将风干的样品置于300 mL盐酸多巴胺-Tris溶液（0.01 mol/L Tris+2 g/L盐酸多巴胺）中浸渍16 h，取出后烘干，所得样品即为改性处理的CF样品(PDA/CF)。

1.3.2 PPO复合材料的制备

表1为PPO复合材料配方。按表1 的配方制备不同PDA/CF添加比例的PPO复合材料。将原料在80 ℃下干燥24 h，按表1比例称取原料，在高速混合机下混合均匀。在双辊筒塑炼机中进行热炼，温度设置为175 ℃，将样品放置在平板硫化机，硫化时间15 min，温度180 ℃，压力12 MPa，得到PPO复合材料。

1.4 性能测试与表征

FTIR测试：扫描范围为400~4 000 cm^-1，分辨率为4 cm^-1。

力学性能测试：按GB/T 528—2009测定试样的拉伸性能和冲击性能，拉伸速度均设置为50 cm/min。按ASTM D2344—22测定试样的层间剪切强度，测试速度设定为1 mm/min。按照ASTM D7264—21测定试样的弯曲强度，测试速度设置为2 mm/min。

摩擦性能测定：摩擦系数和磨损量的测定参照GB/T 3960—2016进行，试验机转速为200 r/min，试验负载为100 N，测试时间为120 min。

2 结果与讨论

2.1 改性CF的表征

图1为CF及PDA/CF的FTIR谱图。从图1可以看出，未改性CF在3 000~3 500 cm^-1处的吸收峰对应于N—H和O—H键的不对称拉伸振动，而2 921 cm^-1和2 852 cm^-1处的峰对应于C—H键的拉伸振动。1 620 cm^-1处的峰对应于吲哚的C=C伸缩振动。而PDA/CF在1 300、1 137和1 060 cm^-1处出现新的吸收峰，都归属于C—O键，这和ZENG等^[21]研究结果一致。

2.2 改性CF对PPO复合材料拉伸强度和断裂伸长率的影响

图2为改性CF添加量对PPO复合材料的拉伸强度及断裂伸长率的影响。

从图2可以看出，随着PDA/CF填料的增加，复合材料的拉伸强度呈现先上升后稳定的趋势，改性CF添加量为4%时，PPO复合材料的拉伸强度较纯PPO材料增加了20%。改性CF添加量为4%~8%，PPO复合材料的断裂伸长率维持在123%。而PDA对CF进行改性后，增强了CF和PPO基质之间的机械啮合作用^[22]，从而进一步增强界面强度，提升拉伸性能。但是添加过量的改性CF，增强效果却没有继续增大，这可能是CF的分散达到饱和，其界面结合效应无法发挥更大作用^[23]。

2.3 改性CF对PPO复合材料冲击强度的影响

图3为改性CF添加量对PPO复合材料冲击强度的影响。从图3可以看出，PDA/CF填料的添加显著提升了复合材料的冲击强度，PDA/CF填料增加，复合材料的冲击强度呈现先上升后下降的趋势，PDA/CF添加量为4%时达到最高，为14.5 kJ/m²，相较纯PPO材料增加了6.4 kJ/m²。这主要是由于PDA/CF增强了CF和PPO材料之间的界面结合力，可以使其在遭受外力冲击时，有效地吸收外力能量^[24]，从而增强了PPO复合材料的冲击强度。

2.4 改性CF对PPO复合材料剪切强度和弯曲强度的影响

图4为改性CF添加量对PPO复合材料层间剪切强度及弯曲强度的影响。

从图4可以看出，PDA/CF添加量为4%~8%时，PPO复合材料的层间剪切强度维持在32 MPa。而弯曲强度的变化趋势和层间剪切强度相似，当PDA/CF添加量超过4%时，PPO复合材料的弯曲强度呈现下降的趋势，PDA/CF添加量为8%时，复合材料的弯曲强度较PDA/CF添加量为4%的样品下降了4 MPa。适量添加改性CF可以增强CF和PPO基体之间的结合力，增强其界面结合性能^[25]。PDA/CF添加量为4%时，PPO复合材料的层间剪切强度和弯曲强度较纯PPO复合材料的提升1.11倍和47.05%。

2.5 改性CF对PPO复合材料摩擦磨损性能的影响

图5为PDA/CF填料对PPO复合材料摩擦磨损性能的影响。从图5可以看出，PDA/CF填料的添加有效增加了复合材料的摩擦系数。随着PDA/CF填料的增加，复合材料的摩擦系数呈现先上升后下降的趋势，PDA/CF添加量为4%时达到最高。PDA/CF填料的加入，有效改善了PPO基体中的界面效应，增加其摩擦系数^[26-27]。

3 结论

PDA改性CF作为填料制备PPO复合材料，PPO复合材料的力学性能和耐磨性能得到改善。随着PDA改性CF添加量的增加，PPO复合材料的拉伸强度、断裂伸长率及层间剪切强度呈现先上升后稳定变化的趋势，冲击强度和弯曲呈现先上升后下降的趋势。改性CF添加量为4%时，复合材料的拉伸强度较纯PPO材料的增加了20%，断裂伸长率维持在123%，冲击强度为14.5 kJ/m²，层间剪切强度为32 MPa。随着PDA改性CF添加量的增加，PPO复合材料的摩擦系数呈现先上升后下降的趋势。建议PDA改性CF添加量为4%，在此添加比例下，PPO复合材料的力学性能和耐磨性能均得到有效改善。

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