吉大王贵宾教授 CSTE：碳纤维表面电化学直接接枝大分子结晶性聚芳醚酮改善聚醚醚酮/碳纤维复材界面性能

近年来，碳纤维增强复合材料的应用越来越广泛，树脂基体也由传统的热固性环氧树脂，双马树脂向高性能热塑性树脂如聚醚醚酮树脂转变。长久以来，碳纤维与树脂基体的界面问题一直是研究的热点，科研人员采用了多种方法来增强界面的相互作用。在这些方法中，电化学还原作为一种反应迅速、条件温和、环境友好的方法得到了广泛的关注。但是，由于聚芳醚酮树脂的化学惰性和良好的耐溶剂性，这种方法并不适用于聚醚醚酮/碳纤维复合材料。

图1：直接接枝过程的图示

近日，吉林大学化学学院王贵宾教授课题组在《Composites science and technology》期刊上发表题为“碳纤维表面电化学直接接枝大分子结晶性聚芳醚酮改善聚醚醚酮/碳纤维复合材料界面性能”（ Direct electrochemical grafting of crystalline PAEK macromolecule on carbon fiber to enhance the interfacial properties of PEEK/CF composites）的论文。该论文设计合成了一种由氨基封端的可溶性聚芳醚酮大分子，这种可溶大分子具有在一定条件下恢复结晶性的能力。将碳纤维置于该种大分子的溶液中进行电化学还原，得到了既有上浆作用又有化学接枝作用的聚合物包覆碳纤维。实验结果表明，溶液中的大分子与碳纤维成功实现了化学接枝，上浆作用和化学接枝共同作用于碳纤维/聚醚醚酮界面，使复合材料的界面剪切强度（interfacial shear strength）由未改性碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的42.27 MPa提升至97.33MPa，提升了130.26%，界面强效果显著。

图2：接枝聚合物的合成过程

基于此，团队在聚醚醚酮侧基上引入苯胺基团，利用席夫碱结构破坏聚醚醚酮的结晶性，从而得到具有良好溶解性的高分子。同时，侧基上的苯胺结构可以在酸性条件下离去，从而使聚芳醚酮恢复结晶能力。以此为基础，该研究又在端基上引入了氨基作为重氮盐的反应位点，使大分子可以被接枝到碳纤维表面。

图3：表面接枝聚合物的单分子力谱

为了证明大分子的成功接枝，团队使用了单分子力谱来进行进一步的表征。由单分子力谱得到的力-位移曲线可知，在碳纤维表面的大分子链可以承受大于1500pN的拉力，这远大于分子间作用力，证明在碳纤维表面形成了化学键作用。经过界面剪切强度测试，接枝在碳纤维表面的聚芳醚酮与聚醚醚酮树脂基体产生了良好的界面作用，为碳纤维/聚醚醚酮复合材料的性能提高和产业化应用提供了新思路。该研究使用的接枝方法也可以衍生用于其他碳材料的聚芳醚类分子接枝。

图4：表面处理后碳纤维的界面剪切强度（IFSS）

文章的通讯作者是吉林大学化学学院王贵宾教授，第一作者是吉林大学化学学院博士王晟道。

论文信息：Direct electrochemical grafting of crystalline PAEK macromolecule on carbon fiber to enhance the interfacial properties of PEEK/CF composites, Composites Science and Technology, 2022, 220: 109262. 

DOI:10.1016/j.compscitech.2022.109262

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109262