高性能可回收环氧树脂及其复合材料的制备与性能研究

采用戊二酸酐为固化剂,乙酰丙酮锌为催化剂制备了一种综合性能优异的高性能可回收环氧树脂.系统研究了固化剂及催化剂含量对树脂结构、热学及动态性能的影响,实现了树脂组成的优化设计.基于酯交换反应的热可逆性,制备的vitrimer树脂通过物理热压方法可实现良好回收,力学强度保持率可达80%.采用RTM工艺制备的碳纤维织物增强vitrimer树脂复合材料表现出与传统热固性树脂基复合材料相当的力学性能,并且通过醇类溶剂热降解树脂的方法,可实现复合材料中碳纤维的高效无损回收,回收率近100%.     

碳纤维表面改性研究进展

碳纤维因其优异的综合性能常被用作树脂基体的增强材料.然而由于碳纤维与树脂基体之间的界面结合性能较差,其增强的复合材料的力学性能往往与理论值相差甚远,因此必须对碳纤维进行表面改性,以提高其与聚合物基体的界面粘结性能.本文作者综述了国内外关于碳纤维表面改性技术的研究进展,概述了涂层法、氧化法、高能辐射法等改性方法对碳纤维增强复合材料界面强度的改性效果.     

碳纤维的表面处理及其特性

碳纤维复合材料是一种低密度、高比强度、高比刚度,耐热、耐烧融的新材料。从七十年代初问世以来,已经得到了广泛的研究和应用,至今,仍处于迅速发展阶段中。作为结构材料使用,在复合材料的特性中,层间剪切强度是重要的。就一种树脂(聚酯、环氧、聚酰胺等)和特定碳纤维所制成的复合材料而言,其层间剪切强度主要取决于树脂与纤维两相间的粘结性能。碳纤维表面处理的根本目的,则在于改善两相间的粘结,以提高碳纤维复合材料的层间剪切强发。本文着重介绍若干表面处理方法和有关碳纤维表面特性及其对复合材料性能的影响。     

超临界流体沉积技术在纳米复合材料制备中的应用*

本文综述了超临界流体沉积法在纳米复合材料制备领域的进展,介绍了利用超临界流体的溶剂化特性、表面张力为零、性质随压力与温度的变化敏感等性质,制备高质量的纳米粒子、薄膜及多孔纳米材料,讨论了超临界流体沉积过程中的吸附、热力学平衡及扩散动力学等问题,总结了不同学者对该方法制备复合材料的机理研究,认为超临界流体沉积法是制备纳米复合材料的有效方法。最后,对深入开展此项研究工作需要努力的方向和解决的关键问题提出了建议。     

超临界正丁醇对回收碳纤维复合材料的降解及表征

采用响应面分析方法设计超临界正丁醇降解废弃的碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料降解实验,用以回收碳纤维.通过Design-Expert V8.0建立环氧树脂降解率和工艺参数之间的数学模型,获得了最优工艺参数;通过图形优化研究了工艺参数对环氧树脂基体降解率的影响规律;通过场发射电子扫描显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪、显微共焦激光拉曼光谱仪及单丝拉伸等分析最优工艺参数下回收的碳纤维的表面形貌、表面化学、石墨化程度及力学性能.结果表明,建立的数学模型拟合误差范围为±5.5%,实现了回收工艺参数的预估;单因素对环氧树脂基体降解率的影响程度为:反应温度保温时间添加剂浓度正丁醇含量;最优工艺参数为:反应温度330℃,保温时间60 min,添加剂浓度0.0538 mol/L,投料比0.024g/mL.回收的碳纤维表面无残留树脂,没有发生明显的石墨化,且表面平均粗糙度与原碳纤维相近;与原始碳纤维相比,回收的碳纤维的拉伸强度约为原碳纤维的93.58%,杨氏模量约为原碳纤维的94.87%.     

石墨烯改性树脂基复合材料力学性能研究进展

树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、耐高温、耐腐蚀、质轻等诸多优点,在航天军工、生物医疗、电子封装、体育器材等众多领域得到广泛应用。石墨烯作为一种典型的二维纳米材料,凭借其独特结构以及优异的物理化学性能而备受关注。近年来的研究表明石墨烯可以通过对增强纤维改性和对基体树脂改性的方法来提高树脂基复合材料的力学性能。本文介绍了石墨烯改性树脂基复合材料的增强增韧机理,对石墨烯改性纤维(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维)增强复合材料以及树脂的改性方法进行了综述;着重阐述了石墨烯改性树脂基复合材料力学性能的研究进展,分析了石墨烯改性树脂基复合材料研究中依旧存在的两大问题,即石墨烯的分散性和界面结合问题,并对石墨烯改性树脂基复合材料的未来发展前景进行了展望。     

气相生长纳米碳纤维与聚合物复合材料的性能研究

气相生长纳米碳纤维/聚合物复合材料是一种性能优良的复合材料。与传统的聚合物导电复合材料相比这种材料表现出优良的电学性能,屏蔽效能与热性能。本文首先对气相生长纳米碳纤维的生产、性能做了总体的介绍,然后对影响气相生长纳米碳纤维/聚合物导电复合材料的电学性能、屏蔽效能以及热学性能的因素做了详细的阐述,特别强调了纳米纤维的分散分布程度、填充浓度和纵横比等方面的影响。本文还对熔融聚合、原位聚合和溶液聚合等加工方法对气相生长纳米碳纤维(VGCNF)/聚合物复合材料最终性能的影响进行了综述,着重介绍了影响气相生长纳米碳纤维/聚合物复合材料电学性能的因素,其中最重要的影响因素是加工方法和加工条件。     

全钒液流电池用导电高分子材料集流体的研究

以炭黑、石墨、碳纤维等炭系与基体树脂复合改性得到体积电阻率小于0.1的导电高分子材料.研究了不同复合体系及不同配方的复合材料的导电性能,其中尤以SIS/PP体系中碳纤维占填料量32.5%的材料导电率高、力学性能和加工性能良好,并与石墨毡有较好的粘接性.选用该体系作为钒电池集流板,考察了电池性能,研究结果表明,导电高分子材料可以作为钒电池集流体材料,并在钒电池中具有良好的应用前景.     

含二氮杂萘酮联苯结构热塑性聚芳醚树脂基复合材料研究进展

含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚是一类综合性能优异的耐高温热塑性树脂,可采用多种方式加工成型。与传统聚芳醚相比,具有低成本、优异的高温力学性能和良好的溶解性等优势,可作为基体树脂应用于制备复合材料。本文主要介绍了近几年在含二氮杂萘酮联苯结构热塑性聚芳醚树脂基复合材料方面的研究进展,包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料...     

全钒液流电池用导电高分子材料集流体的研究

以炭黑、石墨、碳纤维等炭系与基体树脂复合改性得到体积电阻率小于0．1的导电高分子材料。研究了不同复合体系及不同配方的复合材料的导电性能，其中尤以SIS／PP体系中碳纤维占填料量32．5％的材料导电率高、力学性能和加工性能良好，并与石墨毡有较好的粘接性。选用该体系作为钒电池集流板，考察了电池性能，研究结果表明，导电高分子材料可以作为钒电池集流体材料，并在钒电池中具有良好的应用前景。     

短碳纤维增强聚芳醚酮断面形态的研究

复合材料的强度是通过基体和纤维之间的应力传递获得的．这种传递可通过基体和纤维之间机械的、物理的和化学的结合来实现．因此,复合材料的界面结合很重要,它直接影响碳纤维在复合材料中的增强效率．短纤维在基体中由于其末端较多,其内部更易形成应力集中［１～４］．...     

原位合成纳米SiO2增强阴离子聚酯型上浆剂及其对碳纤维复合材料层间剪切强度的影响

采用溶胶-凝胶法, 在侧链带有羧基的线性不饱和聚酯中加入正硅酸乙酯(TEOS), 使TEOS在酸性条件下发生水解反应, 原位合成纳米SiO₂增强阴离子型聚酯乳液(SEAPE). 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪、 激光粒度分析仪和冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM)对SEAPE进行分析与表征. 将SEAPE与聚乙二醇单油酸酯润滑剂、 非离子型表面活性剂FC-4430及抗氧剂1010进行复配, 原位制备纳米SiO₂增强阴离子型聚酯乳液上浆剂(SEAPEs), 用扫描电子显微镜(SEM)、 视频动态接触角测量仪、 X射线能谱(EDS)仪和纤维强力仪对SEAPEs上浆后碳纤维的表面形貌、 表面能、 碳纤维(CF)表面元素及碳纤维增强不饱和聚酯(UPR)复合材料(CF/UPR)的层间剪切强度(ILSS)进行测试与表征. 结果表明, 当TEOS添加质量分数为5%时, SEAPEs上浆后的碳纤维有效增强了其与UPR的结合强度, CF/UPR复合材料的ILSS达到40.03 MPa, 与市售环氧树脂型上浆剂上浆后碳纤维增强UPR复合材料相比, ILSS提高90.1%. SEAPEs中原位生成的纳米SiO₂分散均匀, 乳液储存稳定, 上浆后SiO₂均匀吸附在碳纤维表面, 增加碳纤维表面能, 改善碳纤维与树脂间的浸润性, 可有效提高碳纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料的ILSS.     

碳掺氧缺型TiO2纤维的无外碳源制备及光催化性能

采用溶胶-凝胶法, 结合离心纺丝技术及水蒸气活化工艺制备了一种碳掺氧缺型TiO₂(C-TiO_2-n)纤维光催化剂. 探究了C-TiO_2-n纤维的结构、 组分、 性质及碳掺杂对其光催化活性的影响. 结果表明, 在无外碳源引入的情况下, 利用TiO₂前驱体中的有机组分作为碳源, 可以实现对TiO₂的碳掺杂, 且碳掺杂明显改善了光催化剂的光捕获能力并有效抑制了光生载流子的复合. 在以水中偶氮染料活性艳红(X-3B)作为目标污染物的光催化降解实验中, C-TiO_2-n纤维展现了优良的光催化活性和循环稳定性. 在可见光照射60 min后, 其对X-3B的降解率达到96.99%, 动力学常数为0.0556 min^-1, 是氧缺型TiO₂纤维的19.86倍.     

过渡金属催化的酰胺C-N键活化

过渡金属催化的酰胺C-N键活化已成为有机化学和金属有机化学热门的研究领域之一。酰胺中羰基C-N键的切断可分为5种不同模式:1)氧化加成反应;2)形成季铵盐后的酰基转移反应;3)质子解反应;4)氢化反应;5)脱羧反应。而酰胺非羰基C-N键的切断可分为4种不同模式:1)氧化加成反应;2)亲核取代反应;3)形成亚胺或亚胺盐;4)β-氨基消除反应。本文综述了近年来过渡金属催化的酰胺中羰基C-N键和非羰基C-N键的不同切断模式。     

分子筛材料在小分子吸附分离中的应用

吸附分离技术与工艺在工业上具有重要意义. 常见的吸附剂包括沸石分子筛、 金属有机框架材料、 活性炭等材料. 分子筛具有比表面积大、 稳定性高、 生产成本低等优势, 可以满足吸附分离技术中高效、 节能和环保的需求, 是一种非常有应用前景的小分子混合物分离吸附剂. 本文综合评述了吸附分离领域中常用的吸附剂材料的特点和吸附分离机理与评价方法, 总结了分子筛在空气分离、 烃类分离、 二氧化碳吸附、 芳香硫化物脱除、 一氧化碳吸附、 氮氧化物吸附、 氢气储存吸附及氢同位素分离等领域的应用, 并对基于分子筛膜的小分子混合物分离现状进行了介绍. 此外, 本文还系统分析了分子筛对不同混合物的吸附分离性能与其拓扑结构、 骨架组成及改性方法之间的关系, 并对未来的研究前景进行了展望.     

微流控纺丝制备葡萄糖响应凝胶纤维

葡萄糖响应凝胶纤维在血糖监测传感器开发中有着潜在的应用前景。本文基于微流控纺丝方法和自由基聚合反应制备了化学交联和物理交联的葡萄糖响应聚(N-异丙基丙烯酰胺/3-丙烯酰胺基苯硼酸)(P(NIPAM-co-AAPBA))凝胶纤维。通过傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和力学性能测试等技术手段表征了凝胶纤维的结构和形态、力学性能、溶胀度动力学与葡萄糖响应性。结果表明,凝胶纤维具有多孔的微观结构,通过改变芯层与壳层溶液的流速可以调控凝胶纤维的直径。随着AAPBA质量分数的增加,凝胶纤维的溶胀速率和平衡溶胀度均有所降低,但葡萄糖响应性能提高。与化学交联的凝胶纤维相比,物理交联的凝胶纤维具有良好的力学性能。     

碳纤维-尼龙1010界面形态的研究

通过偏光显微镜,研究了碳纤维-尼龙1010的界面形态,发现石墨、高模量碳纤维(M40)诱发尼龙1010形成横晶的能力大于高强度、中强度碳纤维;界面横晶形态强烈地依赖于结晶温度。     

用于超级电容器的锰钴氧化物/碳纤维材料

The development of high-performance supercapacitor electrode materials is imperative to alleviate the ongoing energy crisis. Numerous transition metals (oxides) have been studied as electrode materials for supercapacitors owing to their low cost, environmental-friendliness, and excellent electrochemical performance. Among the developed binary transition metal oxides, manganese cobalt oxides typically show high theoretical capacitance and stable electrochemical performance, and are widely used in the electrode materials of supercapacitors. However, the poor conductivity and active material utilization of manganese cobalt oxide-based electrode materials limit their potential capacitance application. Cotton is mainly composed of organic carbon-containing materials, which can be transformed to carbon fibers after calcination. The resultant carbonaceous material exhibits a large specific surface area and good conductivity. Such advantages could potentially suppress the negative effects caused by the poor conductivity and small specific surface area of manganese cobalt oxides, thereby improving the electrochemical performance. Herein, we firstly deposited manganese cobalt oxides on cotton by a simple hydrothermal method, yielding a composite of manganese cobalt oxides and carbon fibers via subsequent calcination, to improve the electrochemical performance of the electrode material. X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FESEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Brunauer-Emmett-Teller (BET), thermogravimetric analysis (TGA), and electrochemical characterizations were used to investigate the physical, chemical, and electrochemical properties of the prepared samples. The fabricated manganese cobalt oxides in the composite were uniformly dispersed on the carbon fiber surface, which increased the contact between the interface of the electrode material and electrolyte, and enhanced electrode material utilization. The electrode material was confirmed to have well contacted with the electrolyte during a contact angle test. Hence, a pseudo-capacitance reaction completely occurred on the manganese cobalt oxide material. Moreover, the addition of carbon fibers reduced the resistance of the material, resulting in excellent capacitive performance. The capacitance of the prepared composite was 854 F∙g^-1 at a current density of 2 A∙g^-1. The capacitance was maintained at 72.3% after 2000 cycles at a current density of 2 A∙g^-1. These results indicate that the manganese cobalt oxide and carbon fiber composite is a promising electrode material for high-performance supercapacitors. The findings presented herein provide a strategy for coupling with carbon materials to enhance the performance of supercapacitor electrode materials based on manganese cobalt oxides. Thus, novel insights into the design of high-performance supercapacitors for energy management are provided.     

Reversible Amidation Chemistry Enables Closed-Loop Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites to Monomers and Fibers

Highly efficient recycling of carbon fiber reinforced polymer composites into monomers and fibers is a formidable challenge. Herein, we present a closed-loop recycling approach for carbon fiber reinforced polymer composites using reversible amidation chemistry, which enables the complete recovery of intact carbon fibers and pure monomers. The polymer network, synthesized by amidation between a macromonomer linear polyethyleneimine and a bifunctional maleic anhydride cross-linker, serves as a matrix for the construction of composites with exceptional mechanical properties, thermal stability and solvent resistance. The matrices can be fully depolymerized under the acidic condition at ambient temperature, allowing the effective separation and recovery of both carbon fibers and the two monomers. The reclaimed carbon fibers retain nearly identical mechanical properties to pristine ones, while pure monomers are recycled with high separation yields (>93 %). They can be reused in for multiple cycles for the manufacture of new composites, whose mechanical properties recover over 95 % of their original properties. This line of research presents a promising approach for the design of high-performance and sustainable thermoset composites, offering significant environmental and economic benefits.     

三元Ho3+-TiO2/Bi等离子体复合纤维制备及其可见光催化产氢性能

以电纺Ho³⁺-TiO₂纳米纤维为基质,葡萄糖酸钠为还原剂,采用水热法制备Ho³⁺-TiO₂/Bi等离子体复合纤维光催化剂。 利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和瞬时光电流(IP)等分析测试手段对样品的物相、形貌和光电性能等进行表征。 以三乙醇胺为电子给体,研究了Ho³⁺-TiO₂/Bi光催化分解水产氢的反应过程。 结果表明:在水热过程中,Bi³⁺被葡萄糖酸钠还原成单质Bi纳米颗粒,复合在Ho³⁺-TiO₂纳米纤维表面形成肖特基结。 金属Bi通过局域表面等离子体共振效应结合稀土元素丰富的能级结构和4f电子跃迁特性,对TiO₂进行双重修饰改性,有效提高了TiO₂的光催化活性和稳定性,可见光下产氢速率最大为43.6 μmol/(g·h)。