哈工大张东兴团队：碳纤维与聚醚醚酮纤维柔性混编复合材料的润湿性及界面性能

来源：高分子科学前沿

CF/PEEK复合材料具有优异的力学性能、化学稳定性能，因此广泛应用于航空航天以及工业领域，但是由于PEEK本身较高的熔融温度和熔融黏度，CF/PEEK复合材料的制备以及应用都受到明显的限制。目前制备可应用的CF/PEEK复合材料通常是通过从国外购买预浸料，这种方法虽然可以得到性能稳定的复合材料，但是价格高昂、渠道受限、预浸料的适形性差，在制备形状复杂的结构时，容易破坏预浸料本身的连续性，导致力学性能下降。近年来，随着国内PEEK纤维的制备技术逐渐成熟，研究人员开始将精力集中在CF/PEEK纺织复合材料的制备与性能研究上。PEEK纤维具有很好的可编性，CF/PEEK的柔性混编织物与布类似，更适合复杂的铺层和设计，其中CF和PEEK均匀分布，在成型过程中，PEEK可以快速的渗透浸润CF，有效的解决了其熔融黏度高难以浸润CF的问题。哈尔滨工业大学张东兴教授研究团队在国内率先开展了CF与PEEK纤维柔性混编复合材料界面结构与性能方面的研究工作，在研究过程中发现，二者之间粘接强度是决定其性能的主要因素，而粘接强度又受CF与PEEK的表面特性和二者之间的润湿性控制。

图1. （a）CF/PEEK柔性混编织物；（b）CF/PEEK柔性混编织物的超景深图片

为了研究CF与PEEK的表面性质与二者之间的界面润湿性能，哈尔滨工业大学张东兴教授研究团队在研究CF润湿性的基础上（Carbon 2017, 438−446；Langmuir 2016, 32, 9697−9705），采用AFM以及SEM研究了CF与PEEK纤维的表面形貌；通过Wilhelmy平衡法测试了纤维与四种溶剂的接触角，根据酸碱法对CF与PEEK纤维的表面能及其分量进行了计算；并且运用等张比容公式基于PEEK的化学结构计算了其表面能分量以及接触角，作为接触角实验的补充；通过XPS，XPS结合酸解滴定以及基于接触角测量的酸碱法计算分别计算了CF与PEEK纤维的表面碱性与酸性组分的比值（B/A）。

图2. （a）CF与DW（去离子水）, EG（乙二醇）, F（甲酰胺）和DIO（二碘甲烷）四种溶剂的动态接触角测试结果；（b）PEEK纤维与DW（去离子水）, EG（乙二醇）, F（甲酰胺）和DIO（二碘甲烷）四种溶剂的动态接触角测试结果；（c）PEEK树脂在CF表面形成的液滴的SEM图像以及使用SCA20软件进行多项式拟合得到的接触角结果。

研究结果发现，CF与PEEK纤维在纳米尺度上光滑；表面能色散分量以及碱性分量占主要部分，而酸性和碱性分量的巨大差距是二者之间界面相容性较差的主要原因，通过对比CF与其他热塑性体系的粘附功（Wa）以及界面剪切强度（IFSS）结果，显示了CF/PEEK混合织物的潜力，提出需要通过增加CF表面的酸性成分来进一步提高CFs和PEEK纤维之间的相容性。

图3. XPS结果：（a）CFs和PEEK的XPS宽扫描光谱；（b）CF-C 1S峰的XPS曲线拟合结果；（c）CF-O 1S峰的XPS曲线拟合结果；（d）PEEK-C 1S峰的XPS曲线拟合结果；（e）PEEK-O 1S峰的XPS曲线拟合结果。

该研究成果与2019年8月16日在线发表于ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b09735)。论文第一作者为哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士生鲁春蕊，通讯作者为哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士生毕业生王健（现为青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院讲师），共同通讯作者为哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士生导师张东兴教授。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b09735