PDA/Fe3O4上漿對碳纖維/聚酰胺6 熱塑性復合材料力學性能的影響

摘要：在碳纖維增強熱塑性復合材料中，碳纖維（CF）與熱塑性樹脂基體間的界面強弱對其整體力學性能有巨大的影響。為改善CF 與聚酰胺6（PA6）的界面性能，利用多巴胺（DA）的聚合與黏附特性，將納米相四氧化三鐵（Fe3O4）引入到CF 表面進行協同修飾，通過簡單的浸漬共沉積，利用DA 的氧化自聚合在CF 表面構建聚多巴胺/納米四氧化三鐵（PDA/Fe3O4）涂層。對CF 改性前后表面微觀結構與化學特性進行了表征，結果表明PDA/Fe3O4上漿劑能夠顯著提高CF 表面的粗糙度與化學活性，加強纖維與樹脂基體的機械嚙合作用與化學相互作用。與未改性CF/PA6 復合材料相比，制備得到的改性CF/PA6 復合材料表現出優異的力學性能，其彎曲強度、層間剪切強度分別提高了30.8%和29.1%。

關鍵詞：碳纖維；聚酰胺6；聚多巴胺；納米四氧化三鐵；界面性能

中圖分類號：TB332；O3 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-123-09

碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）具有高比強度、高比模量、輕量化、可回收利用等優異性能，已廣泛應用于汽車制造、航空航天、智能機械等行業[1-2]。聚酰胺6（PA6）成本低、易于加工、抗沖擊性能強，常被用作CFRTP 的基體材料，碳纖維增強聚酰胺6 復合材料在設備輕量化領域已經得到了廣泛的應用[3]。

在碳纖維增強熱塑性復合材料中，碳纖維（CF）與樹脂基體間的界面強弱決定了樹脂體能否有效地將應力傳遞到碳纖維增強相。因此，纖維與樹脂的界面結合強度決定了CFRTP 的力學性能[4]。未經處理的碳纖維和熱塑性樹脂的低表面活性基團使它們具有化學惰性和疏水性，因此，纖維和熱塑性樹脂基體之間的界面黏合強度通常較低[5]。目前，針對CF 與PA6 的界面結合問題，通過在纖維表面引入不同的活性納米填料來改善復合材料的界面性能是當前研究的熱點，如Cheon 等[6]利用硅烷偶聯劑將多壁碳納米管（MWCNTs）用于修飾碳纖維表面，改善了CF 與PA6 基體之間的界面結合，提高了復合材料的層間剪切強度；Ma 等[7]以六亞甲基二異氰酸酯三聚物（HDI）為偶聯劑將石墨烯（GO）接枝到氧化CF 表面，顯著提高了CF/PA6 復合材料的力學性能。與石墨烯和碳納米管相比，納米Fe3O4 作為成熟的工業化產品，合成方式多，來源廣泛，較上述材料具有明顯的價格優勢，同時納米Fe3O4 是一種應用前景廣闊的功能化材料，具有較大的比表面積與活性位點[8]，也具有極高的熱分解溫度，使其完全能夠適配CF/PA6 復合材料的生產過程。現階段關于納米Fe3O4 對纖維增強熱塑性復合材料界面力學性能影響的研究較少，尤其是納米Fe3O4 對CF/PA6 復合材料界面力學性能的影響。

傳統的偶聯劑上漿方法引入納米粒子的方式需要在改性過程中執行復雜的程序和嚴格的條件，會產生揮發性有機化合物（VOC），如甲醇、乙醇等，不利于綠色可持續發展[9]，因此，迫切需要研究一種更加綠色便捷的方式將納米粒子均勻引入到CF 表面。作為一種仿生材料，多巴胺（DA）及其衍生物可以在極其溫和的條件下自聚合，并在大多數類型的基材上產生黏性聚多巴胺（PDA）[10]。聚多巴胺結構中含有大量的—OH 與—NH2可以用于接枝反應，是良好的二級反應平臺[11]。筆者利用多巴胺的自聚合在CF 表面引入了聚多巴胺與納米Fe3O4涂層，采用一種綠色簡單溫和的方式對CF 表面進行改性，制備得到改性CF/PA6 復合材料，使用SEM 與XPS 等手段研究了纖維表面的微觀與化學結構，通過彎曲試驗和層間剪切實驗研究了PDA/Fe3O4 上漿對CF/PA6 復合材料力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

聚酰胺6（PA6）薄膜：中山市華億塑膠制品有限公司制（德國巴斯夫 B3S）；碳纖維織物：DSCCP-200，山東鼎晟復合材料有限公司制；鹽酸多巴胺：上海阿拉丁生化科技股份有限公司制，純度98%；三羥甲基氨基甲烷?鹽酸：上海阿拉丁生化科技股份有限公司制，純度99%；納米Fe3O4分散液：上海麥克林生化科技有限公司制，質量分數25%。

1.2 儀器與設備

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上海予申儀器有限公司生產，型號DF-101S；真空干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司生產，型號DZF-6050；掃描電子顯微鏡（SEM）：日本HITACHI 公司生產，型號TM4000Plus II；掃描電子顯微鏡（SEM）：日本HITACHI 公司生產，型號TM4000Plus II；X 射線光電子能譜儀（XPS）：美國Thermo Scientific 公司生產，型號K-Alpha；小型硫化機：上海德弘橡塑機械有限公司生產，型號XLB-D350；真空干燥箱：上海齊欣科學儀器有限公司生產，型號DZF-6020；成型模具：自主設計；電子萬能試驗機：深圳市蘭博三思材料檢測公司生產，型號LD26-105。