聚酰胺酸碳纤维复合薄膜的研究_毕业论文(编辑修改稿)

聚酰胺酸碳纤维复合薄膜的研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

%1 0 0)/( )/(( % )3001500138015001380  AA AAID t 式中， ID 为酰亚胺化程度， A 为吸收峰面积，下标为波数， t 为酰亚胺化时间，300 表示聚酰胺酸在 300℃酰亚胺化 3h。 太原工业学院毕业论文 13 聚集态结构的表征 （ 1）偏光显微镜观察复合薄膜聚集态结构 将制备好的 PI/CF 复合薄膜置 于目镜和物镜放大倍数为 10 10 倍偏光显微镜下观察其聚集态结构。 （ 2）广角 X射线衍射仪测试 PI/CF 复合薄膜的聚集态结构 用广角 X射线衍射仪（ WAXD）对 PI/CF 复合薄膜的聚集态结构进行考察。 X 光源为 CuKα (λ =)， Ni 过滤，测试条件为室温，操作电压 30KV 2OmA，发散狭缝为 1176。 ，散射狭缝为 1176。 ，接收狭缝为 ,测试角度范围为 5176。 ＜ 2θ＜ 35176。 ，以 度 /秒的速度进行扫描。 力学性能的测试 把 PI/CF 复合薄膜切割成是 10mm 宽的长条，标距为 40mm，然后在万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为 10mm/min，并记下拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。 断面形貌的分析 将薄膜拉伸试样断面样品喷金处理，用扫描电子显微镜（ SEM）观察断面形貌，测试加速电压 20Kv。 3 结果与讨论 聚酰亚胺 /碳纤维复合薄膜的力学性能 各组复合薄膜的拉伸性能如图 、 、 所示。 太原工业学院毕业论文 14 5 10 15 20 2502004006008001000PI 模量PI 断裂伸长率PI 抗拉强度940%1020%1090%PI H PI M P IL B C D 图 不同分子量 PI包覆 CF 复合薄膜拉伸性能 Figure different molecular weight PI coated CF the tensile properties of posite films 5 10 15 20 2502004006008001000 PAA 模量PAA 断裂伸长率PAA 抗拉强度985%940%1020%PA AH PA AM P AA L B C D 图 不同分子量 PAA 涂覆 CF 复合薄膜拉伸性能 Figure different molecular weight PAA coating CF the tensile properties of posite films 太原工业学院毕业论文 15 5 10 15 20 250100200300400500600700800CF( 0) PA A模量断裂 伸长率抗拉强度570810 B C D 图 只加硝酸处理的 CF 的膜及纯 PAA 的膜的拉伸性能 Figure just add nitric acid treatment of the film and the CF pure PAA of the tensile properties of the film 复合薄膜的力学性能示意图如图 、 、 所示。 分别对 和 中的三个数值进行对比，可以看到 无论使用 沉析包覆还是直接涂覆， 复合薄膜的 力学性能基本上呈现相同趋势：随着 PAA 分子量增加，复合薄膜的拉伸强度及 弹性模量 都呈先上升，且中分子量增大的力学性能相对低分子量增大的幅度比高分子量相对中分子增大的幅度大得多，中分 子量相对低分子量的 拉伸强度提高 了 %， 弹性模量提高 %。 高分子量比中分子量的 拉伸强度提高 %， 弹性模量提高 %。 由此可以推想，复合薄膜的拉伸强度及弹性模量 随着 PAA 分子量的增加而增加，后趋于稳定趋势。 而对于 断裂伸长率总体 均有下降的趋势，且与拉伸强度有正相关关系。 再将 图 、图 与图 进行 对比， 得到： 沉析包覆处理 CF 制的膜无论是高中低分子量的都比直接涂覆对应的高中低分子量的拉伸强度和模量都要大，断裂伸长率相对要低。 无论是沉析包覆还是直接涂覆， 复合薄膜力学性能比 只 经硝酸 处理过 的 CF 制的 复合薄膜的力学性能要好 很多， 包覆处理的 CF制的复合薄膜力学性能比 只 经硝酸 处理过的 CF制的 复合薄膜拉伸强度提高 %， 弹性模量提高 %。 太原工业学院毕业论文 16 复合薄膜的聚集态结构演变 热失重分析 聚酰胺酸薄膜 5℃ /min 的热失重曲线 如图 所示。 50 100 150 200 250 30060708090100Quality retention rate（%）Temperature（ ℃） 图 聚酰胺酸薄膜 5℃ /min 的热失重曲线 polyamide acid film the min/thermogravimetric curve 下图 为 纯 PAA 薄膜在 5℃ /min 升温速率下的热失重曲线。 从图 中可以看到，热酰亚胺化过程大致可分为三个阶段： （ 1）初始阶段： PAA 薄膜在低于 130℃时，质量损失 5%左右，在这一阶段， 质量损失来自于少量溶剂 NMP的挥发和初期酰亚胺化程度生成的少量水 及吸自空气中的水分的挥发，处于酰亚胺化的初级阶段，酰亚胺化程度低 ， 分子链可以相对自由运动。 （ 2）中期阶段： 在 130℃～ 160℃之间， PAA 分子链随着温度增高不断断裂成环，反应 持续 生 成 水，随温度的升高 ， 水的挥发速 率增加，同时，溶剂 NMP 挥发加快， 在这一阶段 质量损失速率达到最大 ，酰亚胺程度很高。 但由于 NMP沸点高， 因此 在 这阶段 ，溶剂 NMP 相对水来说 的挥发 速率 较 慢，但挥发了绝大部分溶剂，水分子几乎挥发完全 ，样品质量损失大约为 27%， 是酰亚胺化反应的主要阶段，酰亚胺化程度很高；溶剂没有完全挥发 可能的原因是氢键的影响。 NMP是极性溶剂，化学结构中含有羰基，太原工业学院毕业论文 17 水也是极性分子，两者形成氢键， 由 于溶剂与聚酰胺酸上的 NH和 OH 形成了配合物，溶剂挥发时这些氢键会断裂，但又由于两种氢键强度不同，与 NH 形成的配合物要比与 OH形成 的配合物分解的快。 所以认为 在这一阶段 ， 几乎所有 PAA 的 NH 与 部分 OH及 剩余的小部分溶剂间的氢键大量断裂。 随着温度的逐渐升高，到了 160210℃之 间 ，残余 PAA 的 OH 氢键 逐次 断裂，同样与碳纤维氢键断裂后， PAA 脱水成环，这个过程始终缓慢。 这中缓慢有助于分子链的运动、有序排列。 (3) 后期阶段：当酰亚胺化温度高于 210℃时， 失重率比较低， 质量损失低于 4%，其质量损失主要是薄膜靠近空气面的少量溶剂分子挥发。 这是由于此时的酰亚胺化程度很高，薄膜内部的溶剂分子受到 PI 分子的束缚而难以逃逸，同时，随温度升高，酰亚胺化基本完成。 顾宜教授课题组研究表明：涂膜快速升温热酰亚胺化，由于溶剂挥发和酰亚胺化反应同时进行，结晶织构的出现与分子链结构直接相关。 采用聚酰胺酸涂膜热酰亚胺化，随着酰亚胺化温度的升高，薄膜有序度增强。 这就体现出在聚酰胺酸向聚酰亚胺转变过程中，分子链的运动能力与溶剂含量和酰亚胺化程度直接相关，从而决定了最终聚酰亚胺的聚集态结构。 红外光谱分析 测定酰亚胺化程度的主要方法是红外光谱。 由图 ，经过热处理后，聚酰亚胺在 1776cm 1716 cm 1375 cm1和 725 cm1附近谱带加强，特征吸收峰与文献值符合，由此可以证实芳香酰亚胺基团的存在。 1375 cm1谱带代表酰亚胺的环状结构的伸缩振动，而 725 cm1谱带由芳香酰亚胺的 C=O 弯曲振动产生的。 如图 ，在不同的温度下， 1375 cm1附近谱带明显地逐渐加强。 观察 150℃时复合薄膜的红外谱图，可以看到在 1546 cm1和 1655 cm1处出现了明显的峰，这是酰胺酸特有的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的峰，而在 200℃时就不明显，到了 300℃时已完全消失，因此，酰亚胺化环化反应是基本完全的。 另外在 1114 cm1和 751 cm1处出现酰亚胺环变形振动峰，这些都说明聚酰胺酸环化成了聚酰亚胺。 太原工业学院毕业论文 18 500 1000 1500 20207511114300℃200℃150℃7251655154613741372137817761714wavenumbers(cm1) 图 不同温度下聚酰亚胺 /碳纤维复合薄膜的红外光谱图 the FTIR spectra of PI/CF posite films at different imidization degree 另外，注意到： 150℃时 1378 cm1的峰经过 200℃时变为 1374 cm1，到 300℃时则又变为 1372 cm1。 这说明碳纤维在聚酰胺酸的热亚胺化过程中，与聚酰胺酸产生了一定作用。 猜想为碳纤维经过硝酸处理后，其表面会增加很多活性基团，特别是酚羟基，与聚酰胺酸会产生氢键，从而使得谱图上的吸收峰发生偏移，另外也可以推断出碳纤维与聚酰亚胺的相容性是比较好的。 偏光显微镜分析 各组 聚酰胺酸 /碳纤维复合薄膜的偏光照片 如图 所示。 太原工业学院毕业论文 19 (a)PIH。