近年來，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，樹脂基體也由傳統(tǒng)的熱固性環(huán)氧樹脂，雙馬樹脂向高性能熱塑性樹脂如聚醚醚酮樹脂轉(zhuǎn)變。長久以來，碳纖維與樹脂基體的界面問題一直是研究的熱點(diǎn)，科研人員采用了多種方法來增強(qiáng)界面的相互作用。在這些方法中，電化學(xué)還原作為一種反應(yīng)迅速、條件溫和、環(huán)境友好的方法得到了廣泛的關(guān)注。但是，由于聚芳醚酮樹脂的化學(xué)惰性和良好的耐溶劑性，這種方法并不適用于聚醚醚酮/碳纖維復(fù)合材料。

圖1：直接接枝過程的圖示

近日，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院王貴賓教授課題組在《Composites science and technology》期刊上發(fā)表題為“碳纖維表面電化學(xué)直接接枝大分子結(jié)晶性聚芳醚酮改善聚醚醚酮/碳纖維復(fù)合材料界面性能”（ Direct electrochemical grafting of crystalline PAEK macromolecule on carbon fiber to enhance the interfacial properties of PEEK/CF composites）的論文。該論文設(shè)計(jì)合成了一種由氨基封端的可溶性聚芳醚酮大分子，這種可溶大分子具有在一定條件下恢復(fù)結(jié)晶性的能力。將碳纖維置于該種大分子的溶液中進(jìn)行電化學(xué)還原，得到了既有上漿作用又有化學(xué)接枝作用的聚合物包覆碳纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶液中的大分子與碳纖維成功實(shí)現(xiàn)了化學(xué)接枝，上漿作用和化學(xué)接枝共同作用于碳纖維/聚醚醚酮界面，使復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（interfacial shear strength）由未改性碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的42.27 MPa提升至97.33MPa，提升了130.26%，界面強(qiáng)效果顯著。

圖2：接枝聚合物的合成過程

基于此，團(tuán)隊(duì)在聚醚醚酮側(cè)基上引入苯胺基團(tuán)，利用席夫堿結(jié)構(gòu)破壞聚醚醚酮的結(jié)晶性，從而得到具有良好溶解性的高分子。同時(shí)，側(cè)基上的苯胺結(jié)構(gòu)可以在酸性條件下離去，從而使聚芳醚酮恢復(fù)結(jié)晶能力。以此為基礎(chǔ)，該研究又在端基上引入了氨基作為重氮鹽的反應(yīng)位點(diǎn)，使大分子可以被接枝到碳纖維表面。

圖3：表面接枝聚合物的單分子力譜

為了證明大分子的成功接枝，團(tuán)隊(duì)使用了單分子力譜來進(jìn)行進(jìn)一步的表征。由單分子力譜得到的力-位移曲線可知，在碳纖維表面的大分子鏈可以承受大于1500pN的拉力，這遠(yuǎn)大于分子間作用力，證明在碳纖維表面形成了化學(xué)鍵作用。經(jīng)過界面剪切強(qiáng)度測試，接枝在碳纖維表面的聚芳醚酮與聚醚醚酮樹脂基體產(chǎn)生了良好的界面作用，為碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料的性能提高和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。該研究使用的接枝方法也可以衍生用于其他碳材料的聚芳醚類分子接枝。

圖4：表面處理后碳纖維的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）

文章的通訊作者是吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院王貴賓教授，第一作者是吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士王晟道。

論文信息：Direct electrochemical grafting of crystalline PAEK macromolecule on carbon fiber to enhance the interfacial properties of PEEK/CF composites, Composites Science and Technology, 2022, 220: 109262. 

DOI:10.1016/j.compscitech.2022.109262

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109262