纺织学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 75-80.doi: 10.13475/j.fzxb.20210600306

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碳纤维织物基形状记忆复合材料的制备及其性能

苏子越1, 单颖法2, 巫莹柱1(), 秦介垚1, 彭美婷1, 王晓梅1, 黄美林1   

  1. 1.五邑大学 纺织材料与工程学院, 广东 江门 529020
    2.广州辰东新材料有限公司, 广东 广州 510000
  • 收稿日期:2021-06-01 修回日期:2022-05-10 出版日期:2022-11-15 发布日期:2022-12-26
  • 通讯作者: 巫莹柱
  • 作者简介:苏子越(1996—),女,硕士生。主要研究方向为智能纺织品及快速检验技术。
  • 基金资助:
    广东省教育厅特色创新项目(2017KTSCX182);揭阳市科技计划重点项目(skjcx033);江门市基础与应用基础研究重点项目(2021030103890006796)

Preparation and properties of shape-memory composites reinforced by carbon fabrics

SU Ziyue1, SHAN Yingfa2, WU Yingzhu1(), QIN Jieyao1, PENG Meiting1, WANG Xiaomei1, HUANG Meilin1   

  1. 1. School of Textile Materials and Engineering, Wuyi University, Jiangmen, Guangdong 529020, China
    2. Guangzhou Cndong Materials Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510000, China
  • Received:2021-06-01 Revised:2022-05-10 Published:2022-11-15 Online:2022-12-26
  • Contact: WU Yingzhu

摘要:

为解决碳纤维织物基形状记忆复合材料体系中催化剂存在对其回收利用的影响,通过基于动态酯交换反应的环氧-酸酐体系作为形状记忆功能体(BMT),以多羟基反应单体三羟甲基丙烷(TMP)作为反应活性剂,与碳纤维织物整理复合制备出无催化剂可调控的形状记忆复合材料。结果表明,这种多羟基催化碳纤维织物基复合材料(C-BMT)不仅具有良好的形状记忆的能力,而且其物理性能也十分优异,特别是拉伸强度较形状记忆功能体BMT提高了24倍。另外,这种复合材料中不存在催化剂,解决了催化剂对其回收利用产品应用的限制,对未来高性能碳纤维织物基复合材料开发和回收利用的实现具有重要意义。

关键词: 动态化学键, 多羟基催化, 形状记忆, 碳纤维织物基, 复合材料

Abstract:

In order to solve the impact of catalysts in a carbon fabric-based shape-memory composite system on its recycling performance, an epoxy-anhydride system (BMT) based on dynamic transesterification to provide the shape-memory function was adopted, and a polyhydroxy reactive monomer trimethylolpropane (TMP) as the reactive agent was combine with the carbon fabric to prepare a catalyst-free and regulable shape-memory composite. The results show that the polyhydroxy catalytic composite (C-BMT) not only displays a good shape-memory ability, and its physical properties are also excellent, especially its tensile strength is 24 time higher than that of the BMT system. In addition, there is no catalyst in the composite, which simplifies the recycling of the composites. The research is of great significance for the future development and for recycling of high-performance carbon fiber fabric matrix composites.

Key words: dynamic chemical bond, polyhydroxy catalysis, shape-memory, carbon fabric, composite

中图分类号: 

  • TB33

表1

不同物质的量比的BMT固化体系配方"

样品编号 BPA/moL MHHPA /moL TMP/moL
BMT-1 1 1 0.3
BMT-2 1 1 0.4
BMT-3 1 1 0.5

图1

形状回复率测试过程"

图2

BMT-3体系的放热情况"

表2

BMT体系对应的热力学数据"

样品 BMT固化体系配比 Td5/℃
BMT-1 1/1/0.3 284
BMT-2 1/1/0.4 274
BMT-3 1/1/0.5 271

图3

BMT体系的热力学曲线"

图4

BMT体系的耗散系数(a)和储能模量(b)"

表3

BMT体系的动态机械性能"

样品 Eg/MPa Er /MPa Tg /℃
BMT-1 2 520 11.3 100
BMT-2 2 060 5.2 94
BMT-3 1 794 3.6 91

图5

BMT体系的应力松弛(a)和自修复情况(b)"

表4

BMT体系的力学拉伸性能"

样品 拉伸强度/MPa 拉伸模量 /MPa 断裂伸长率/%
BMT-1 60 2400 4.55
BMT-2 54 2250 3.47
BMT-3 49 2180 3

图6

BMT体系的形状固定率"

表5

BMT试样的形变回复性能 (Tg+10 ℃)"

样品 形变回复时间/s 形变回复率/%
BMT-1 174 100
BMT-2 161 100
BMT-3 144 100

表6

BMT体系在不同温度下的形变回复时间"

样品 Tg /℃ (Tg+10)/℃ (Tg+20)/℃
BMT-1 190 174 157
BMT-2 180 161 143
BMT-3 157 144 135

图7

C-BMT复合材料的耗散系数(a)和储能模量(b)"

表7

C-BMT复合材料的力学拉伸性能"

样品 拉伸强度/MPa 拉伸模量 /MPa 断裂伸长率/%
C-BMT-1 1 780 26 670 6.45
C-BMT-2 1 517 25 260 5.37
C-BMT-3 1 160 23 140 5.11
[1] 盛嘉喜. 碳纤维形状记忆复合材料的研制及其性能分析[D]. 南京: 南京理工大学, 2012:1-7.
SHENG Jiaxi. Development and performance analysis of carbon fiber shape memory composite materials[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2012:1-7.
[2] BEHL M, LENDLEIN A. Shape-memory polymers[J]. Materials Today, 2007, 10(4): 20-28.
[3] ROUSSEAU I A. Challenges of shape memory polymers: a review of the progress toward overcoming SMP's limitations[J]. Polymer Engineering & Science, 2008, 48(11): 2075-2089.
[4] 戴春晖, 刘钧, 曾竟成, 等. 复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J]. 玻璃钢/复合材料, 2008(1):53-56.
DAI Chunhui, LIU Jun, ZENG Jingcheng, et al. Development status of composite wind power blades and countermeasures to some problems[J]. Fiberglass/Composite Materials, 2008(1):53-56.
[5] 杜善义. 先进复合材料与航空航天[J]. 复合材料学报, 2007(1):1-12.
DU Shanyi. Advanced composite materials and aerospace engineering[J]. Acta Materiae of Compositae Sinica, 2007(1): 1-12.
[6] 李晓晓. 基于交换酯键的可回收环氧树脂设计及其形状记忆性能研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2018:1-51.
LI Xiaoxiao. Research on the design of recyclable epoxy resin based on exchange ester bond and its shape memory performance[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2018:1-51.
[7] BOWMAN C N, KLOXIN C J. Covalent adaptable networks: reversible bond structures incorporated in polymer networks[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(18): 4272-4274.
doi: 10.1002/anie.201200708
[8] MONTARNAL D, CAPELOT M, TOURNILHAC F, et al. Silica-like malleable materials from permanent organic networks[J]. Science, 2011, 334(6058): 965-968.
doi: 10.1126/science.1212648 pmid: 22096195
[9] AMAMOTO Y, KIKUCHI M, MASUNAGA H, et al. Intelligent build-up of complementarily reactive diblock copolymers via dynamic covalent exchange toward symmetrical and miktoarm star-like nanogels[J]. Macromolecules, 2010, 43(4): 1785-1791.
doi: 10.1021/ma902413f
[10] WOJTECKI R J, MEADOR M A, ROWAN S J. Using the dynamic bond to access macroscopically responsive structurally dynamic polymers[J]. Nature Materials, 2011, 10(1): 14-27.
doi: 10.1038/nmat2891 pmid: 21157495
[11] 赖学平. 形状记忆环氧树脂的制备及性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007:1-43.
LAI Xueping. Preparation and performance study of shape memory epoxy resin[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007:1-43.
[12] FUKUDA H, KONDO A, NODA H. Biodiesel fuel production by transesterification of oils[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2001, 92(5): 405-416.
pmid: 16233120
[13] CHAKMA P, KONKOLEWICZ D. Dynamic covalent bonds in polymeric materials[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58(29): 9682-9695.
doi: 10.1002/anie.201813525
[1] 张书诚, 邢剑, 徐珍珍. 基于废弃聚苯硫醚滤料的多层吸声材料制备及其性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(12): 35-41.
[2] 张威, 蒋喆, 徐琪, 孙宝忠. 形状记忆复合编织圆管的制备及其热致回复性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(11): 68-74.
[3] 张毅, 邵利锋, 杨彬, 高金霞, 郁崇文. 棕榈纤维毡/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)热压复合材料的吸声性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(10): 24-30.
[4] 方周倩, 苗沛源, 金肖克, 祝成炎, 田伟. 碳纤维复合材料孔洞损伤超声波C扫描无损检测[J]. 纺织学报, 2022, 43(10): 71-76.
[5] 徐铭涛, 嵇宇, 仲越, 张岩, 王萍, 眭建华, 李媛媛. 碳纤维/环氧树脂基复合材料增韧改性研究进展[J]. 纺织学报, 2022, 43(09): 203-210.
[6] 杨宏林, 项伟, 董淑秀. 涤纶基纳米铜/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其电磁屏蔽性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(08): 107-112.
[7] 王秋实, 何彩婷, 王珊, 陈美玉, 梁高勇, 孙润军. 织物增强柔性防刺复合材料的研究进展[J]. 纺织学报, 2022, 43(08): 183-188.
[8] 孙晓伦, 陈利, 张一帆, 李默涵. 开孔三维机织复合材料的拉伸性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(08): 74-79.
[9] 吴瑕, 姚菊明, 王琰, RIPON Das, JIRI Militky, MOHANAPRIYA Venkataraman, 祝国成. 碳纤维复合材料无人机叶片的仿真与分析[J]. 纺织学报, 2022, 43(08): 80-87.
[10] 竺铝涛, 郝丽, 沈伟, 祝成炎. 基于边界效应模型的玻璃纤维复合材料准脆性断裂性能分析[J]. 纺织学报, 2022, 43(07): 75-80.
[11] 贾雪飞, 庄毅, 唐毓婧, 李姗姗, 时文, 张雷, 刘明, 周江明. 层-层正交角联锁机织物及其复合材料的结构及其层切破坏机制研究[J]. 纺织学报, 2022, 43(07): 81-89.
[12] 郭珊珊, 郝恩全, 李宏杰, 王霖琳, 蒋金华, 陈南梁. 聚氯乙烯膜结构复合材料的光氧老化行为及评价[J]. 纺织学报, 2022, 43(06): 1-8.
[13] 宫学斌, 刘元军, 赵晓明. 热防护用气凝胶材料的研究进展[J]. 纺织学报, 2022, 43(06): 187-196.
[14] 黄耀丽, 陆诚, 蒋金华, 陈南梁, 邵慧奇. 聚酰亚胺纤维增强聚二甲基硅氧烷柔性复合膜的热力学性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(06): 22-28.
[15] 邵灵达, 黄锦波, 金肖克, 田伟, 祝成炎. 硅烷偶联剂改性处理对玻璃纤维织物增强聚苯硫醚复合材料性能的影响[J]. 纺织学报, 2022, 43(04): 68-73.
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[1] 赵良臣;闻涛. 旋转组织设计的数学原理[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 33 -34 .
[2] 曹建达;顾小军;殷联甫. 用BP神经网络预测棉织物的手感[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 35 -36 .
[3] 【作者单位】:中国纺织工程学会秘书处【分类号】:+【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  香港桑麻基金会设立的“桑麻纺织科技奖” 0 0 年提名推荐工作;在纺织方面院士;专家和有关单位的大力支持下;收到了 个单位 (人 )推荐的 位候选人的. 2003年桑麻纺织科技奖获奖名单[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 107 .
[4] 【分类号】:Z【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  一;纺 纱模糊控制纺纱张力的研究周光茜等 ( - )………………原棉含杂与除杂效果评价方法的研究于永玲 ( - )……网络长丝纱免浆免捻功能的结构表征方法李栋高等 ( - )……………. 2003年纺织学报第二十四卷总目次[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 109 -620 .
[5] 朱敏;周翔. 准分子激光对聚合物材料的表面改性处理[J]. 纺织学报, 2004, 25(01): 1 -9 .
[6] 黄立新. Optim纤维及产品的开发与应用[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 101 -102 .
[7] 邓炳耀;晏雄. 热压对芳纶非织造布机械性能的影响[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 103 -104 .
[8] 张治国;尹红;陈志荣. 纤维前处理用精练助剂研究进展[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 105 -107 .
[9] 秦元春. 纺织工业发展方向初探[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 108 -110 .
[10] 高伟江;魏文斌. 纺织业发展的战略取向——从比较优势到竞争优势[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 111 -113 .