山西煤化所在高界面性能彩色碳纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控方向取得重要進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所楊禹研究員團(tuán)隊(duì)和張斌研究員團(tuán)隊(duì)在高界面性能彩色碳纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控方向取得重要進(jìn)展。研究成果以“Synergistic Inorganic-Organic Interfacial Modification for Colored and?High-Performance Carbon Fiber/Polyamide Composites”為題發(fā)表于《Polymer Composites》期刊。
碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料（CFRPA復(fù)合材料）作為一種高分子材料在航空航天、體育工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。CFRPA復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，備受人們的關(guān)注。然而，有限的顏色表現(xiàn)和惰性的表面特性是制約CFRPA復(fù)合材料應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
碳纖維表面惰性強(qiáng)、結(jié)晶度高，傳統(tǒng)染色方法難以實(shí)現(xiàn)持久、鮮艷的著色。聚酰胺樹(shù)脂的高加工粘度導(dǎo)致其難以在碳纖維表面鋪展，易誘發(fā)空隙與干點(diǎn)，從而嚴(yán)重限制了界面結(jié)合性能。現(xiàn)有原子層沉積能制備金屬氧化物著色膜，但其與PA基體相容性差。此外，該薄膜表面官能團(tuán)種類(lèi)單一（主要為少量羥基），且在復(fù)合材料高溫制備過(guò)程中易發(fā)生羥基脫附，從而難以形成良好的界面結(jié)合。
為突破該瓶頸，該研究團(tuán)隊(duì)提出一種協(xié)同無(wú)機(jī)-有機(jī)界面改性策略，通過(guò)原子層沉積（ALD）在碳纖維表面引入無(wú)機(jī)TiO2薄膜，作為生色結(jié)構(gòu)。通過(guò)表面改性，在無(wú)機(jī)TiO2薄膜表面引入有機(jī)PA層，以增強(qiáng)碳纖維與PA基體之間的界面相容性和結(jié)合力。PA-TiO2薄膜具有雙重功能，既能實(shí)現(xiàn)明亮、持久的結(jié)構(gòu)色，又能增強(qiáng)與PA基體間的界面性能。
無(wú)機(jī)的TiO2薄膜通過(guò)可見(jiàn)光干涉作用展現(xiàn)出均勻的結(jié)構(gòu)色，而有機(jī)PA涂層對(duì)結(jié)構(gòu)色的影響極小。PA-TiO2薄膜與PA6基體具有良好的相容性。此外，酰胺基團(tuán)有助于與PA6基體形成化學(xué)鍵和氫鍵，進(jìn)一步提升了界面性能。與TiO2薄膜改性碳纖維相比，PA-TiO2薄膜改性碳纖維具有優(yōu)異的界面性能，其IFSS達(dá)到了50.14MPa，提高了23.62%。
這種方法為開(kāi)發(fā)具有多色和優(yōu)異界面性能碳纖維提供了一種有效的途徑。而且從分子結(jié)構(gòu)的角度闡明了碳纖維結(jié)構(gòu)生色與界面增強(qiáng)的機(jī)理，為分子層面可控調(diào)控生色結(jié)構(gòu)與界面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)提供了理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。
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https://doi.org/10.1002/pc.70214
（708課題組、903課題組）
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