新闻和活动

杂萘联苯聚芳醚酮（PPEK）是一种特种工程塑料，具有优异的耐热性、力学性能、尺寸稳定性和耐化学性，这些特性使其在复杂摩擦环境中具有广泛的应用前景。然而，纯PPEK的摩擦系数和磨损系数较高，因此需要改善其摩擦性能。颗粒填充和纤维掺杂等方法可以有效提升其性能，其中短切碳纤维（SCF）因其卓越的力学性能、导热性和增强能力，成为改性PPEK的首选填料。然而，SCF的光滑表面和化学惰性导致树脂对其的浸润性较差，这严重制约了CF/PPEK复合材料的发展。

 

针对上述问题，大连理工大学化工学院蹇锡高教授团队借助国仪量子扫描电镜进行了深入研究，开发了一种新型环保水基上浆剂HPPAEN-COOH，具有优异的耐热性能（Tg = 253℃，T5wt% = 330℃）和良好的水溶液稳定性，显著增强了SCF与PPEK树脂之间的界面结合能力。UCF/HPPAEN-COOH/PPEK复合材料的初始储能模量为3.50 GPa，弯曲强度和压缩强度分别为150.6 MPa和169.9 MPa，相较于UCF/PPEK，分别提高了25.9%、11.4%、8.4%。此外，复合材料的摩擦性能显著提升，在干摩擦和三号喷气燃料环境下的磨损系数较未改性材料分别降低了52.3%和46.3%。该研究以题为“A novel water-soluble sizing agent that enhances the interface and tribological characteristics of CF/PPEK composites ”的论文发表在《Composites Part B》上。

 

 

水性上浆剂的制备

 

使用DHPZ、DHBA和DFBN作为原料，K2CO3作为盐化剂，甲苯作为脱水剂，通过溶液缩聚合成了含羧基结构的杂萘联苯聚芳醚酮（PPAEN-COOH）。进一步将上述产物中的氰基水解成为羧基，实验操作如下：将5g PPAEN-COOH树脂粉末和200ml 6 mol/L KOH溶液置于三颈烧瓶中，设置冷凝回流装置和机械搅拌装置，在100℃条件下反应8h。结束后，将溶液趁热倒入烧杯中，并用稀盐酸溶液调节pH = 7，抽滤、洗涤、干燥后得到HPPAEN-COOH树脂。溶解于100 mL 0.2 g/L KOH溶液中，在25℃下搅拌2小时后过滤去除杂质，得到水性HPPAEN-COOH上浆剂。

 

图1.上浆剂的制备及表征

 

复合材料的力学和热性能

 

利用DMA对CF/PPEK复合材料的储能模量（E′）和损耗因子(tanδ)进行测试。CF-COOH、CF-0、UCF分别代表用三种不同处理的纤维制备的PPEK复合材料，它们的初始储能模量分别为3.50GPa、2.97GPa和2.78GPa，表明上浆剂有效改善了复合材料的界面性能。进一步测试了复合材料的弯曲强度和压缩强。CF-COOH/PPEK复合材料的弯曲强度及压缩强度分别为150.6MPa和169.9MPa，均为最高，比最低的UCF/PPEK复合材料（仅为135.2MPa和156.8Mpa）分别提升了11.4%和8.4%。利用激光导热仪分析了UCF和CF-COOH复合材料的导热性能。经过上浆剂处理后，复合材料的导热系数为0.288 W/(m·K)，比UCF的0.254 W/(m·K)提升了13.4%。这种优异的导热性能有助于及时转移摩擦热，从而避免磨损加剧。

 

图2.复合材料的力学和热性能

 

复合材料的摩擦性能

 

在干摩擦条件下，三种材料的摩擦系数相近，然而CF-COOH/PPEK的磨损系数仅为2.23×10⁻¹⁵ m³/Nm，较UCF的4.68×10⁻¹⁵ m³/Nm降低了52.3%。在三号喷气燃料润滑下，复合材料的摩擦系数和磨损系数显著降低，其中CF-COOH/PPEK的磨损系数为6.6×10⁻¹⁶ m³/Nm，比UCF降低了46.3%。在油介质的作用下，摩擦转移膜形成速度加快，因此三种材料的磨合期均较短，迅速趋于稳定。实验结果表明，HPPAEN-COOH上浆剂的应用显著降低了复合材料的磨损系数，显示出在干摩擦和油润滑环境下的良好应用前景。

 

图3.复合材料的摩擦性能

 

复合材料的界面的界面强化机理与磨损表面形貌

 

进一步利用SEM对不同润滑条件下的CF/PPEK复合材料的磨损表面形貌进行了分析。在干摩擦条件下，未使用上浆剂处理的复合材料表面出现严重的基体剥落，且部分UCF在摩擦的过程中脱离出基体，裸露在外。这说明PPEK对惰性的UCF表面附着力较差，这种界面缺陷容易引起应力集中，从而加速磨损。而经过上浆剂处理后的复合材料表面仅有轻微的划痕，CF表面较为光滑且均匀包裹着一层树脂，说明纤维与基体的结合能力较强。总而言之，HPPAEN-COOH有效的阻止了纤维拔出，而且能够及时传导摩擦热，使复合材料的摩擦机理由黏着磨损和疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损。

 

图4.复合材料的界面强化机理与磨损表面形貌

 

这项工作设计的上浆剂能够有效改善复合材料的界面性能和摩擦学性能，为高性能热塑性树脂基复合材料的研发及界面改性机制的微观研究提供了新思路。