酸碱处理聚酰亚胺新

1、酸碱腐蚀对聚酰亚胺酸碱腐蚀对聚酰亚胺/碳纤维复合材料摩碳纤维复合材料摩擦与磨损性能的研究擦与磨损性能的研究 学生：黄玮学生：黄玮 指导教师：王晓东指导教师：王晓东主要内容主要内容研究背景研究背景实验部分实验部分结果与讨论结果与讨论总结总结研究背景研究背景 聚酰亚胺聚酰亚胺(pi)(pi)具有突出的热稳定性、具有突出的热稳定性、 良好的抗冲击良好的抗冲击 、 抗辐射和耐溶剂性能，在高温、抗辐射和耐溶剂性能，在高温、 高低压和高速等极端环高低压和高速等极端环境下有很好的摩擦磨损性能境下有很好的摩擦磨损性能 ，是一类很有潜力应用于摩，是一类很有潜力应用于摩擦学领域的基体材料擦学领域的基体材料113

2、3 。但纯。但纯 pi pi 因较低的抗拉、因较低的抗拉、 抗压强度抗压强度 ，不适宜单独作为摩擦材料使用，而加入增强，不适宜单独作为摩擦材料使用，而加入增强纤维后可得到力学性能和摩擦性能优异的纤维后可得到力学性能和摩擦性能优异的 pipi复合材料复合材料4 4 55。作为一种新型非金属材料，碳纤维的应用遍及。作为一种新型非金属材料，碳纤维的应用遍及航空、航天、建筑、文体等各个方面。由于具有低密度，航空、航天、建筑、文体等各个方面。由于具有低密度，高比强、比模的特点，碳纤维常常被作为制备高性高比强、比模的特点，碳纤维常常被作为制备高性能复合能复合材料的增强物质。材料的增强物质。 因此研究碳纤维

3、增强因此研究碳纤维增强 pipi的性能对开发高性能耐热性复的性能对开发高性能耐热性复合材料合材料 ，拓宽聚酰亚胺的应用范围具有重要意义。影响，拓宽聚酰亚胺的应用范围具有重要意义。影响聚酰亚胺复合材料摩擦与磨损性能的因素很多，本文采用聚酰亚胺复合材料摩擦与磨损性能的因素很多，本文采用了盐酸与氢氧化钠对聚酰亚胺了盐酸与氢氧化钠对聚酰亚胺/ /碳纤维复合材料进行表面碳纤维复合材料进行表面处理，考察了两种处理方法对碳纤维增强聚酰亚胺复合材处理，考察了两种处理方法对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料摩擦磨损性能的影响。采用料摩擦磨损性能的影响。采用bruker tensor 27 bruker tensor 2

4、7 傅里叶傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪变换衰减全反射红外光谱仪(atr)(atr)测定处理前后材料的傅测定处理前后材料的傅里叶变换红外光谱，采用扫描电子显微镜（里叶变换红外光谱，采用扫描电子显微镜（semsem）观察磨）观察磨损表面形貌，初步探讨了材料磨损机理。损表面形貌，初步探讨了材料磨损机理。实验部分实验部分 实验原料实验原料 热塑性聚酰亚胺（热塑性聚酰亚胺（tpi）模塑粉，实验室自制；）模塑粉，实验室自制； 碳纤维（碳纤维（cf），上海炭素厂；），上海炭素厂； 丙酮，分析纯，上海申博化工有限公司；丙酮，分析纯，上海申博化工有限公司； 质量分数为质量分数为36%38%盐酸溶液，分析纯，上

5、海盐酸溶液，分析纯，上海中试化工总公司中试化工总公司 ; 氢氧化钠固体，分析纯，西陇化工股份有限公司氢氧化钠固体，分析纯，西陇化工股份有限公司 。 实验步骤实验步骤 1）试样加工）试样加工 将碳纤维与将碳纤维与pi树脂机械混合后，热模压成型，模压温度树脂机械混合后，热模压成型，模压温度 340 、压力、压力12 mpa，保温保压，保温保压1 h，降温至，降温至200 脱模。脱模。机加工成环试样。机加工成环试样。 2）碳纤维）碳纤维/聚酰亚胺环表面处理聚酰亚胺环表面处理 分别取分别取5个碳纤维个碳纤维/聚酰亚胺环，先用聚酰亚胺环，先用500 #氧化铝耐水砂纸氧化铝耐水砂纸打磨，使各处环的高度误差

6、不超过打磨，使各处环的高度误差不超过0.1mm，再用丙酮洗干，再用丙酮洗干净，用数字微显卡尺测出环的外径，内径和高度并记录，净，用数字微显卡尺测出环的外径，内径和高度并记录，然后分别放入质量分数为然后分别放入质量分数为10%的盐酸溶液和的盐酸溶液和10%氢氧化钠氢氧化钠溶液中浸泡溶液中浸泡10分钟、分钟、20分钟、分钟、30分钟、分钟、60分钟、分钟、90分钟，分钟，取出后放在取出后放在auy220电子天平上测出各个环在空气和水中电子天平上测出各个环在空气和水中的质量并求出密度。的质量并求出密度。摩擦实验：摩擦实验： 实验设备：实验设备： mpx-2000型摩擦磨损试验机型摩擦磨损试验机 试样

7、尺寸：上环（试样）为试样尺寸：上环（试样）为34257 mm ；下环（钢；下环（钢环）为环）为34226 mm 实验条件实验条件: 线滑动速度为线滑动速度为0.5 m/s, 载荷载荷 0.5 mpa， 实验数据实验数据在线纪录在线纪录 表征：表征：quanta200型低真空扫描电子显微镜型低真空扫描电子显微镜sem，bru ker tensor 27 傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪atr结果与讨论结果与讨论 酸碱处理前后的酸碱处理前后的cf/pi红红外谱图外谱图 图图1 （a）pi/cf经经hcl处理后的红外谱图处理后的红外谱图 未处理的未处理的cf/pi存在明显

8、的亚胺特征峰存在明显的亚胺特征峰1780cm- 1 （c=o)，1720cm1(c=c)，1370cm-1（c=o），经），经hcl处处理 后 ， 各 特 征 峰 的 位 置 没 有 发 生 改 变 。理 后 ， 各 特 征 峰 的 位 置 没 有 发 生 改 变 。 200015001000 wavenumber/cm13701500 untreatedhcl-30hcl-60hcl-9017801720图图1（b）pi/cf经经naoh处理后的红外谱图处理后的红外谱图 当用当用naoh处理处理10分钟后，聚酰亚胺分钟后，聚酰亚胺1780cm-1处的特征峰处的特征峰消失，随着处理时间的增加，

9、聚酰亚胺消失，随着处理时间的增加，聚酰亚胺1720cm-1处的特征峰明处的特征峰明显减弱，显减弱，1370cm-1处的特征峰逐渐转移成处的特征峰逐渐转移成 1418cm-1特征峰特征峰 ， 表明在经过碱处理后表明在经过碱处理后 ，亚胺结构转变成胺酸结构。，亚胺结构转变成胺酸结构。 200018001600140012001000800 1780172013701500untreatednaoh-10naoh-60naoh-90 wavenumber/cm表面处理方法对材料摩擦磨损性能的影响表面处理方法对材料摩擦磨损性能的影响 图图2(a) 盐酸处理对盐酸处理对cf/tpi复合材料摩擦性复合材料

10、摩擦性能的影响能的影响 经盐酸处理后，经盐酸处理后，cf改性改性tpi复合材料复合材料的摩擦系数呈现出的摩擦系数呈现出明显下降趋势，盐明显下降趋势，盐酸处理样品酸处理样品10分钟分钟时摩擦系数最低较时摩擦系数最低较未处理下降了未处理下降了32.6%。不同处理。不同处理时间对摩擦系数影时间对摩擦系数影响不大，而磨损率响不大，而磨损率却随着处理时间的却随着处理时间的增大呈现稍微增大增大呈现稍微增大趋势。趋势。 friction coefficient hcl-10 hcl-20 hcl-30 hcl-60 hcl-90untreated wear rate friction coefficient

11、wear rate/(10-14.m3.n-1nm-1)图图2(b) 氢氧化钠处理对氢氧化钠处理对cf/tpi复合材料复合材料摩擦性能的影响摩擦性能的影响碱处理对材料的摩擦系数碱处理对材料的摩擦系数影响不大，而磨损率急剧影响不大，而磨损率急剧增大。氢氧化钠处理增大。氢氧化钠处理30分分钟的材料的磨损率比未处钟的材料的磨损率比未处理的材料提高了理的材料提高了58%。分。分析认为聚酰亚胺复合材料析认为聚酰亚胺复合材料用用10%的的naoh溶液处理溶液处理过后发生开环反应，基体过后发生开环反应，基体变得疏松造成材料内部缺变得疏松造成材料内部缺陷，摩擦过程中陷，摩擦过程中cf易从易从基体脱落，富集在摩

12、擦表基体脱落，富集在摩擦表面，导致严重的磨粒磨损，面，导致严重的磨粒磨损，表现为材料的磨损率急剧表现为材料的磨损率急剧增大。增大。friction coefficientuntreated naoh-10 naoh-20 naoh-30naoh-90naoh-60wear rate friction coefficientwear rate/10-14 m3 n-1 m-1)酸碱处理条件下酸碱处理条件下pi复合材料的磨损表面复合材料的磨损表面 酸处理条件下复合材料的磨损表面酸处理条件下复合材料的磨损表面sem分析分析 未处理的cf/pi未经处理的材料表面很平整，碳纤维与基体结合良好未经处理的材

13、料表面很平整，碳纤维与基体结合良好 。hcl-10hcl-30复合材料摩擦表面有复合材料摩擦表面有轻微的塑性形变迹象，轻微的塑性形变迹象，表面粘有磨屑，仅有表面粘有磨屑，仅有部分出现断裂现象，部分出现断裂现象，呈粘着磨损特征。呈粘着磨损特征。摩擦表面粘有大量磨摩擦表面粘有大量磨屑，并伴随有轻微的屑，并伴随有轻微的滑痕，碳纤维由长条滑痕，碳纤维由长条状断裂成几部分，磨状断裂成几部分，磨损的主要机制是严重损的主要机制是严重的黏着磨损和轻微的的黏着磨损和轻微的磨粒磨损磨粒磨损 。hcl-60hcl-90随着盐酸处理时间的进一步随着盐酸处理时间的进一步增大，盐酸的腐蚀作用增强，增大，盐酸的腐蚀作用增强

14、，碳纤维被刻蚀，自身强度下碳纤维被刻蚀，自身强度下降，因此易于断裂。大量的降，因此易于断裂。大量的碳纤维从基体脱落，导致严碳纤维从基体脱落，导致严重的磨粒磨损，磨损表面出重的磨粒磨损，磨损表面出现由于碳纤维剥落后留下的现由于碳纤维剥落后留下的凹坑。凹坑。 碱处理条件下复合材料的磨损表面碱处理条件下复合材料的磨损表面sem分析分析 naoh-10naoh-20材料磨损表面沿材料磨损表面沿滑动方向有明显滑动方向有明显犁沟，犁沟， 沿滑动垂沿滑动垂直方向存在微裂直方向存在微裂纹，表现为黏着纹，表现为黏着磨损和磨粒磨损磨损和磨粒磨损特征特征 。摩擦表面发生严重摩擦表面发生严重的塑性变形和剥落的塑性变形

15、和剥落迹象。迹象。 naoh-30naoh-60naoh处理处理30分时，分时，磨损表面被严重拉伤，磨损表面被严重拉伤，犁沟明显，而且有大犁沟明显，而且有大量磨屑散落，呈现出量磨屑散落，呈现出明显的磨粒磨损特征。明显的磨粒磨损特征。naoh处理处理60分钟时碳分钟时碳纤维严重断裂，部分纤维严重断裂，部分从基体脱落，表面留从基体脱落，表面留下大量凹槽，下大量凹槽， 材料表材料表面粗糙，存在裸露纤面粗糙，存在裸露纤维，较硬的碳纤维在维，较硬的碳纤维在摩擦过程中通过微观摩擦过程中通过微观切削使材料摩擦表面切削使材料摩擦表面产生犁沟，所以摩擦产生犁沟，所以摩擦系数和磨损率都较大。系数和磨损率都较大。

16、naoh处理处理90分钟时，由于基体的水解大部分的碳纤维已分钟时，由于基体的水解大部分的碳纤维已经从基体中脱落出来，突出的纤维被磨平磨损主要是基体的经从基体中脱落出来，突出的纤维被磨平磨损主要是基体的磨损和纤维的磨平，所以摩擦系数最小，磨损率也紧比空白磨损和纤维的磨平，所以摩擦系数最小，磨损率也紧比空白样大一点点。样大一点点。 naoh-90结论结论 本文以碳纤维改性聚酰亚胺复合材料为研究本文以碳纤维改性聚酰亚胺复合材料为研究对象，考察了不同的表面处理方法对碳纤维改性对象，考察了不同的表面处理方法对碳纤维改性热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦磨损性能的影响，热塑性聚酰亚胺复合材料摩擦磨损性能的影响，初

17、步探讨了复合材料的摩擦磨损机理。主要研究初步探讨了复合材料的摩擦磨损机理。主要研究成果总结如下：成果总结如下： （1）经盐酸处理后，）经盐酸处理后，cf改性改性tpi复合材料的摩擦复合材料的摩擦系数呈现出明显下降趋势，盐酸处理样品系数呈现出明显下降趋势，盐酸处理样品10分钟分钟时摩擦系数最低较未处理的样品下降了时摩擦系数最低较未处理的样品下降了32.6%。不同处理时间对摩擦系数影响不大，而磨损率却不同处理时间对摩擦系数影响不大，而磨损率却随着处理时间的增大呈现稍微增大趋势。随着处理时间的增大呈现稍微增大趋势。 （2） 碱处理对材料的摩擦系数影响不大，而磨损率碱处理对材料的摩擦系数影响不大，而磨

18、损率急剧增大。氢氧化钠处理急剧增大。氢氧化钠处理30分钟的材料的磨损率比分钟的材料的磨损率比未处理的材料提高了未处理的材料提高了58%。分析认为聚酰亚胺复合。分析认为聚酰亚胺复合材料用材料用10%的的naoh溶液处理过后发生开环反应，溶液处理过后发生开环反应，基体变得疏松造成材料内部缺陷，摩擦过程中基体变得疏松造成材料内部缺陷，摩擦过程中cf易易从基体脱落，富集在摩擦表面，导致严重的磨粒磨从基体脱落，富集在摩擦表面，导致严重的磨粒磨损，表现为材料的磨损率急剧增大。损，表现为材料的磨损率急剧增大。 （3）未处理的）未处理的 cf/pi存在明显的亚胺特征峰存在明显的亚胺特征峰 1780cm-1(c

19、 = o) ，1720cm-1 (c=c)，1370cm-1 (c=o)，经经hcl处理后，各特征峰的位置没有发生改处理后，各特征峰的位置没有发生改变。变。 （4）当用）当用naoh处理处理10分钟后，聚酰亚胺分钟后，聚酰亚胺1780cm-1处的特征峰消失，随着处理时间的增加，聚酰亚处的特征峰消失，随着处理时间的增加，聚酰亚胺胺1720cm-1处的特征峰明显减弱，处的特征峰明显减弱，1370cm-1处的处的特征峰逐渐转移成特征峰逐渐转移成 1418cm-1特征峰特征峰 ， 表明在经过表明在经过碱处理后碱处理后 , 亚胺结构转变成胺酸结构。亚胺结构转变成胺酸结构。（5）磨损前、后聚酰亚胺的特征峰

20、没有发生改变，）磨损前、后聚酰亚胺的特征峰没有发生改变， 物理的机械作用不会改变基团位置。通过近一步研究物理的机械作用不会改变基团位置。通过近一步研究发现经过酸碱发现经过酸碱 处理材料后再进行磨损情况也如此。处理材料后再进行磨损情况也如此。参考文献参考文献 1 丁孟贤丁孟贤, 何天白何天白. 聚酰亚胺新材料聚酰亚胺新材料m . 北京北京: 北京科北京科技出版社技出版社, 1998. 2 杜善义杜善义.先进复合材料与航空航天先进复合材料与航空航天j .复合材料学报复合材料学报, 2007 ,24 (1) : 1212.du shanyi. advanced compos ite material

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