PPTA-F/PSA复合材料制备及其性能研究

王 旭，邹虹荣，谢 旺，刘立起，俞鸣明，肖 依

（上海大学 复合材料研究中心，上海 200072）

PPTA-F/PSA复合材料制备及其性能研究

王 旭，邹虹荣，谢 旺，刘立起，俞鸣明，肖 依

（上海大学 复合材料研究中心，上海 200072）

采用热压工艺将不同配比的对位芳纶和聚砜酰胺制成PPTA-F/PSA复合材料，研究了PPTA-F质量分数对复合材料力学性能、结构和热性能的影响，并对复合材料的拉伸断口进行了微观形貌分析。结果表明，随着PPTA-F质量分数的增加，PPTA-F/PSA复合材料的力学性能有较小的损失，但复合材料的热稳定性增强。复合材料中纤维界面粘结良好是PPTA-F/PSA复合材料拥有较好力学强度的原因。

对位芳纶；聚砜酰胺；复合材料；制备；性能；研究

0 引言

随着树脂基复合材料的发展，树脂基复合材料力学性能、耐高温性能等得到综合提升[1]，对耐高温树脂基复合材料的使用环境要求越来越苛刻。现在对提高复合材料耐高温性的研究主要有提高基体的耐热性能和研制高性能耐热增强纤维。PPTA-F具有高强度，高模量和耐高温性，是现有高性能纤维中性能最好的有机纤维之一[2～3]，PPTA-F增强复合材料已经广泛应用于航空航天、海洋、汽车、体育器材、国防等领域[4～5]。PSA-F是我国自行研究开发并且拥有唯一知识产权的芳香族聚酰胺类有机耐高温纤维[6～7]，具有良好的热稳定性，阻燃性和耐热性[8～10]。

汪晓峰[11]等以PSA粉末为原料制备耐高温PSA板材。课题组在以前的研究中[12]以PSA为原料制备了聚砜酰胺基单聚合物（PSA SPCs），并发现PSA SPCs具有较好的热稳定性及耐热性[13～14]。然而目前对聚芳酰胺基复合材料的研究鲜有报道。研究将PPTA-F为增强体，以熔融后PSA-F为基体制备复合材料，纤维混合分布均匀，其中PSA是关键，一方面是其高温强度保持率高[15]，另一方面是其自增强特性使其成为复合材料基体材料。

实验通过模压工艺制备了PPTA-F/PSA复合材料，并对其力学性能、热性能、结构以及微观形貌进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

PSA-F，特安纶TANLON®纤维短切T700，长度3 mm，上海特安纶纤维有限公司；

PPTA-F，泰普龙Taparan®，短切3 mm，烟台泰和新材料股份有限公司；

无水乙醇，AR，国药集团化学试剂有限公司；

去离子水，实验室自制。

1.2 实验主要仪器及设备

双频数控超声波清洗器，KQ-300VDV，昆山市超声仪器有限公司；

鼓风干燥箱，DHG-9075A，上海一恒科学仪器有限公司；

平板硫化机，QLB-25T，扬州市道纯试验机械厂；

万能试验机，MTS- CMT-4204，深圳新三思实验仪器厂；

X射线衍射仪，D/MAX，日本理学电机；

钨灯丝扫描电镜，HITACHI SU-1500，日本HITACHI；

热重分析仪，TA Q500 HiRes，美国TA仪器公司。

1.3 PSA-F及PPTA-F的清洗

PSA-F先在密封的无水乙醇中超声清洗6 h，清洗温度50 ℃，加热功率100 W，再在去离子水中清洗30 min，最后置于80 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h，密封后备用。PPTA-F的清洗过程同上。

1.4 PPTA-F/PSA复合材料的制备

先将PPTA-F和PSA-F按照一定的质量比进行称取混合，然后置于浙江荣浩工贸有限公司RHP-600型高速多功能粉碎机中开松打散，再将混合料放置在烘箱内，在105 ℃真空条件下干燥4 h脱气处理。将混合料填充置自制的平板模具腔内，放入压机中进行预热（温度范围350～360 ℃），温度稳定后压力加载至35 MPa，保持压力15 min，自然冷却后卸载压力，脱模，将样品取出。PPTA-F的质量分数分别为5%、12.5%、20%、30%和40%。

1.5 性能测试和结构表征

按照GB/T1447-2005，测试材料的拉伸性能，拉伸速率为1.0 mm/min，室温；

按GB/T1448-2005 测试复合材料的弯曲强度，加载速度为1.0 mm/min，室温；

和GB/T1449-2005测试复合材料的压缩强度，加载速度为1.0 mm/min，室温；

材料结构分析：X射线衍射分析，测试条件为铜靶辐射，λ为0.154 nm，辐射管电压40 kV，辐射管电流100 mA，扫描范围2θ为5°～60°，扫描速度2°/min；

热重分析：在氮气气氛保护下，非等温分解试验，样品质量为4.8～8 mg，升温速率为10 ℃/ min，测试温度25～700 ℃；

微观形貌分析：拉伸测试后的试样断面进行喷金处理后，使用钨灯丝扫描电镜进行观察。

2 结果与讨论

图1 PPTA-F质量分数对复合材料拉伸强度影响Fig.1 Effect of PPTA-F content on tensile properties of PPTA-F/PSA composites

2.1 PPTA-F质量分数对复合材料力学性能的影响

复合材料的力学性能如图1～3所示，可以看出随着PPTA-F质量分数的提高，复合材料的力学强度呈现一定的下降趋势，其中拉伸强度、压缩强度和弯曲强度分别最大损失为35.06%、24.25%和7.72%，但是复合材料依然拥有不错的力学强度。分析其中的原因，高温下PPTA-F的力学强度保持率较低，造成复合材料的力学性能有一定的损失。从图1～2中，可以看出复合材料的拉伸强度和压缩强度随着PPTA-F质量分数的增加而逐步下降然后再上升再下降的趋势，这是因为PPTA-F与PSA-F在进行混合时，搅拌的剪切作用虽然有利于纤维的分散，但PPTA-F之间的团聚较为明显且这种作用会阻碍分散，而随着PPTA-F质量分数的增加，团聚作用会逐渐增强，PPTA-F与PSA-F的之间的有效面积减少，这样就不能对基体起到有效的增强，从而使复合材料的力学性能降低，而随着PPTA-F质量分数的进一步提高，PPTA-F与PSA-F的混合均匀度会提高，复合材料的力学性能小幅度提高，但当PPTA-F质量分数超过一定值后，PSA-F熔融成树脂后包裹PPTA-F的能力下降，最终复合材料的力学性能进一步降低。

从图3中，可以看出复合材料的弯曲模量随着PPTA-F质量分数的增加而提高，这是因为PPTA-F模量较高。PPTA-F质量分数为5%的复合材料的弯曲性能达到最大值127.22 MPa，这是因为PPTA-F完全均匀分散到了基体材料中，PPTA-F完全被熔融后的PSA-F树脂包裹，界面黏结性能好。

2.2 XRD分析

图4中可以看出复合材料在17°附近有较宽而弱的衍射峰，这是PSA的衍射峰[14]，PSA是三元无规聚合物。在43°附近的衍射峰表明复合材料制备过程中PSA-F之间相互粘结过程中发生物理化学变化，聚合物结晶度提高。在不同PPTA-F质量分数的PSA-F/PPTE复合材料的XRD图中，在2θ=20.7°、23.2°和29.3°分别对应（100）、（200）和（004）晶面，前面两个衍射峰随着PPTA-F质量分数的提高而提高，而最后的衍射峰只出现PPTA-F质量分数在30%和40%的情况，表明复合材料制备工艺有利于PSA结晶度的提高。

2.3 TG分析

图2 PPTA-F质量分数对复合材料压缩性能的影响Fig.2 Effect of PPTA-F content on compressive properties of PPTA-F/PSA composites

图3 PPTA-F质量分数对复合材料弯曲性能的影响Fig.3 Effect of PPTA-F content on flexural properties of PPTA-F/PSA composites

图4 PPTA-F/PSA复合材料的XRD图Fig.4 X-raydiffractionpatternofPPTA-F/ PSA composites

PPTA-F/PSA复合材料的热分解过程可分为微量失重阶段（25～430 ℃）、热分解阶段（430～650 ℃）和碳稳定阶段（650～700 ℃）。从表1和图5可以进一步清楚的看到，随着PPTA-F质量分数的增加，PPTA-F/PSA复合材料在受热过程中最大失重速率对应的温度由439.74 ℃提高到501.54℃，最大失重率由22.75%提高到56.94%。这表明适当质量分数PPTA-F的加入，提高了PPTA-F/ PSA复合材料的热稳定性。

表1 PPTA-F/PSA复合材料热分解过程的物理参数Tab.1 Parametersof PPTA-F/PSA composites in the thermal decomposition

2.4 复合材料断裂面的微观形貌分析

图6为PPTA-F质量分数为12.5%时复合材料拉伸断口的SEM照片。由图6-a可见，PPTA-F/PSA复合材料断口留有大量纤维端头，纤维的分布比较均匀，纤维随机排列，箭头1和2所指分别为PSA以及PSA与PSA的粘结，箭头3和4分别为PPTA-F以及PPTA-F被PSA包裹粘结的情况，复合材料中纤维粘结紧密，且相当牢固。继续放大倍数，如图6-b所示，箭头1、2和5分别为PSA和PPTA-F，箭头3和4为PPTA-F与PSA粘结的情况，纤维之间不存在空隙。这说明复合材料内部粘结情况良好，是复合材料拥有一定力学性能的保证。

图5 PPTA-F/PSA复合材料的TG图(a)和DTG图(b)Fig.5 TG and DTG curves of PPTA-F/PSA composites

图6 PPTA-F/PSA复合材料拉伸断口扫描电镜照片Fig.6 Tensile fracture morphology of PPTA-F/PSA composites

3 结论

⑴ PPTA-F/PSA复合材料具有较好的力学性能，当PPTA-F质量分数为5%时，复合材料的弯曲强度达到最高127.22 MPa。

⑵ XRD和SEM测试分析表明，PPTA-F/PSA复合材料内部具有较好的粘结性，PPTA-F以及PSA结晶度有所提高。

⑶ PPTA-F/PSA复合材料热稳定性随着PPTA-F质量分数的增加而增加。

[1] 邢丽英, 包建文, 礼嵩明, 等. 先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战[J]. 复合材料学报, 2016, 34(7): 1 327-1 338.

[2] 王双成, 李春霞, 邵正丽, 等. 对位芳纶在复合材料领域应用的研究[J]. 高科技纤维与应用, 2013, 38(2): 52-56.

[3] Cai P, Li Z, Wang T, et al. Effect of aspect ratios of aramid fiber on mechanical and tribological behaviors of friction materials[J]. Tribology International, 2015, 92: 109-116.

[4] Botelho E C, Mazur R L, Costa M L, et al. Fatigue behaviour study on repaired aramid fiber/epoxy composites[J]. Journal of Aerospace Technology & Management, 2009, 1(2): 217-222.

[5] 邱召明, 唐凯, 杜玉春, 等. 泰普龙®对位芳纶在汽车胶管中的应用[J]. 高科技纤维与应用, 2012, 37(5): 41-44.

[6] 汪家铭. 芳砜纶发展概况及市场前景[J]. 高科技纤维与应用, 2008, 33(6): 39-45.

[7] Shao Q S, Bai C H , Tang Z Y, et al. Preparation of Silver-Deposited Aromatic Polysulfonamide Fibers with Excellent Performance via ElectrolessNanoplating Using a Chlorine-Aided Silver Activation System[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(45).

[8] Zhu F, Feng Q, Liu R, et al. Pyrolysis kinetics of polysulfonamide fiber used for fire protective clothing[J]. Textile Research Journal, 2015, 86(5): 472-479.

[9] 肖丽群, 余若冰, 赵圩, 等. 苯并噁嗪树脂基芳砜纶纤维及玻璃纤维复合材料性能的研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2010, (6): 21-24.

[10] 叶健青, 张玉华, 任加荣, 等. 芳砜纶的热稳定性分析[J]. 东华大学学报:自然科学版, 2005, 31(2): 13-16.

[11] 汪晓峰, 林银芳. 一种耐高温芳砜纶板材的制备方法:中国, 201210136291.8[P]. 2013-11-06.

[12] 俞鸣明, 冯彬, 刘立起, 等. 芳砜纶板材的制备方法:中国, 201410458986.8[P]. 2015-01-07.

[13] 冯彬, 俞鸣明, 吉静, 等. 聚砜酰胺基单聚合物复合材料的热性能及降解动力学[J]. 高分子材料科学与工程, 2016, 32(3): 42-47.

[14] 刘立起, 王旭, 谢旺, 等. PSAf/PTFE复合材料的性能研究[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2016, 22(x): 1-8.

[15] 汪晓峰, 张玉华. 芳砜纶的性能及其应用[J]. 纺织导报, 2005, (1): 18-20.

Preparation and properties of the composites of PPTA-F/PSA

WANG Xu, ZOU Hong-rong, XIE Wang, LIU Liqi, YU Ming-ming, XIAO Yi

( Research Center for Composite Materials, Shanghai University, Shanghai 200072 China)

Aramid fiber reinforced polysulfonamide based composites (PPTA-F/PSA composites), containing different mass fraction of PPTA-F, were fabricated by hot pressing process. The effect of PPTA-F contents on mechanical properties, structure and thermal properties were studied. The morphology of the tensile fracture surface of the composite was analyzed. It was found that the mechanical strength of PPTA-F/PSA composites slightly decreased with the addition of PPTA-F fiber, however the thermal stability of PPTA-F/PSA composites was enhanced. PPTA-F/PSA composites possess good mechanical strength due to fine interfacial bonding and adhesion.

PPTA-F; PSA; composite; structure; performance; research

TB35

A

1007-9815（2016）04-0028-04

定稿日期:2016-08-15

上海大学科技创新项目（D.11-0110-13-029）

王旭（1990-），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为高性能纤维复合材料，(电子信箱)MW_9CFRP11@ 163.com；通讯作者：刘立起，助理研究员，研究方向为高性能纤维、碳碳复合材料，(电子信箱)llq@shu.edu.cn。