王孝军课题组：羧基聚苯硫醚上浆剂提高聚苯硫醚/碳纤维复合材料界面剪切强度研究

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聚苯硫醚（PPS）是一种半结晶工程塑料，具有尺寸稳定性、热稳定性和阻燃性能等诸多优点，在摩擦、汽车和电子等领域有着广泛的应用。但由于聚苯硫醚树脂的脆性和较低的冲击强度，限制了纯聚苯硫醚的应用。为了提高聚苯硫醚的力学性能，具有热稳定性、优异的强度和刚度的碳纤维被广泛应用于纯聚苯硫醚的增强。众所周知，纤维增强复合材料的性能取决于PPS树脂和碳纤维本身的特性。此外，纤维与基体之间的界面结合对复合材料的性能也起着至关重要的作用。但由于聚苯硫醚（PPS）树脂本身缺乏官能团，而碳纤维表面具有化学惰性，纯聚苯硫醚与碳纤维的界面结合较差，使复合材料的力学性能受到限制。因此，研究人员提出了各种方法来提高CF/PPS复合材料的界面强度。

       目前，纤维表面改性的方法很多，包括等离子体处理、化学改性、界面增容、上浆等。在这些改性方法中，上浆是一种有效的方法，其目的通常是在制造和使用过程中提供聚合物胶层，以保护碳纤维免受蓬松和纱线损伤，避免应力集中而引起的裂纹扩展。通过在纤维表面上浆，可以引入一些与基体化学键合的官能团，提高纤维与树脂的润湿性，增强纤维与树脂基体在界面处的应力传递。然而，目前用于碳纤维表面改性的工业上浆剂大多是以环氧树脂等热固性树脂为主的，该类树脂更适合热固性树脂，且与热塑性树脂的界面结合力较弱。热塑性树脂的加工温度一般超过250℃，超过热固性树脂的分解温度，对复合材料造成损伤。此外，随着工业对先进复合材料需求的增加，需要对所需上浆剂进行定制和改性，以提高纤维的热稳定性和力学性能。同时，研究表明低分子量（Mw）上浆剂也可以起到软界面层的作用，提高纤维与基体的润湿性和界面结合力。为了有效地涂覆CF，采用等离子体处理，通过引入官能团，在不削弱纤维强度的情况下，有效地、环保地改变CF的非极性表面。因此，制备低分子量PPS-COOH树脂作为上浆剂是一种有效的方法，该上浆剂涂覆在等离子体处理的CF表面，以提高其润湿性，并在聚合物基体与CF之间形成“桥”形成化学键或机械联锁。
       对未经等离子体处理的碳纤维（VCF）、经等离子体处理的碳纤维（PCF）和经PPS-COOH上浆剂的改性碳纤维（ACF）的IFSS和拉伸性能进行了研究，ACF/PPS复合材料的拉伸强度提高到115.20mpa。微粘试验表明，ACF/PPS复合材料的表观界面剪切强度（τapp）提高到37.19mpa，分别比VCF/PPS和PCF/PPS复合材料高27.71%和15.07%。因此，等离子体处理的碳纤维表面和上浆剂大分子耐热浆料协同作用可以有效提高碳纤维/聚苯硫醚复合材料界面剪切强度。
       文章来源：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108056