基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料 在体育器材中的制备和性能研究

蒋莹

摘 要：体育器材性能要求不断提高，其中使用的材料直接决定着器材的使用效果。碳纤维材料已经在体育器材中具有不错的应用效果，为了进一步提高该材料的性能，文章对其进行了改性研究，制备了一种基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料。通过扫描电子显微鏡分析、傅里叶变换红外光谱分析、拉伸强度和弯曲强度测试等实验，研究复合材料的综合性能。实验结果表明，碳纤维经过浓硝酸处理之后，能够提高复合材料的综合性能;浓硝酸处理时间不断增加时，复合材料的拉伸强度提高，冲击强度提高不明显;碳纤维用量为7.5%时，复合材料的综合性能最好。最后基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料能够在体育器材中发挥不错的应用效果。

关键词：碳纤维;聚酰胺;体育器材;性能分析

中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0067-04

Research on Preparation and Performance of Modified Carbon Fiber Composite Material Based on Polyamide in Sports Equipment

Jiang Ying

（Sports Department， Shaanxi Institute of Intrenational Trade and Commerce， Xi an 712046， China）

Abstract：The performance requirements of sports equipment are constantly improving， and the materials used directly determine the effect of the equipment. Carbon fiber materials have already a good application effect in sports equipment. In order to further improve the performance of this material， the paper conducted a modification study on it and prepared a modified carbon fiber composite material based on polyamide. Through scanning electron microscopy analysis， Fourier transform infrared spectroscopy analysis， tensile strength and bending strength testing and other experiments， the comprehensive performance of composite materials is studied. The experimental results show that after carbon fiber is treated with concentrated nitric acid， the comprehensive performance of the composite material can be improved; when the concentrated nitric acid treatment time continues to increase， the tensile strength of the composite material will increase， but the impact strength will not increase significantly;when the amount of carbon fiber is 7.5%， the overall performance of the composite material is the best.Finally， the modified carbon fiber composite material based on polyamide can play a good application effect in sports equipment.

Key words：carbon fiber; polyamide; sports equipment; performance analysis

碳纤维材料属于一种无机高分子结构，通过与其他材料结合形成一种复合材料能够具有很好的综合性能，比如纤维增强树脂复合材料已经在体育器材中应用广泛，随着这些新型材料的不断发展，体育器材的性能也在不断增强[1-3]。使用碳纤维材料的最大优势在于强度高、质量轻等[4-5]。聚酰胺具有加工流动性好、耐磨损、机械强度高等优势[6-7]。于是文章基于聚酰胺材料，制作改性碳纤维复合材料将这两种材料进行结合使用，从而形成一种复合材料，这种复合材料的综合性能将会进一步提高，所以文章通过实验分析，研究了基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料的制备和性能。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验需要的主要材料有：聚酰胺、碳纤维、浓硝酸、过氧化氢溶液、偶联剂等，其中浓硝酸的浓度为16mol/L。

实验需要的主要仪器有：塑料注射成型机、数显式电子万能试验机、复合式冲击试验机、微机差热天平、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪等。

1.2 试样制备

首先需要对碳纤维材料进行预处理，其操作方式就是对碳纤维材料进行清洗，其中使用的清洗溶液为丙酮溶液和环己酮溶液，需要分别使用这两种溶液对材料进行清洗，回流洗涤时间都是12h;完成之后将其取出，再使用去离子水洗涤干净，最后将其放于烘干机中进行干燥，直至碳纤维材料的质量恒定即完成预处理工作。

然后再对碳纤维材料进行液相氧化处理，使用的溶液为浓硝酸溶液介绍使用浓硝酸溶液的液相氧化过程：将上述完成预处理的材料放到通风厨中，取出一定量的浓硝酸对其进行进行氧化处理，在氧化过程中需要每隔20min对溶液进行摇晃一次，并且氧化温度设置在80℃;完成该步骤之后进行冷却处理，然后取出碳纤维，使用蒸馏水对其进行水洗，直至该材料为中性，然后烘干待用[8-9]。

最后就是制作基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料。首先将聚酰胺进行干燥处理，然后将其放入高速搅拌机中，并放入一定比例的抗氧剂和偶联剂等，将这些材料混合均匀;然后使用包覆设备，将聚酰胺和碳纤维材料在230℃的环境下进行复合处理，再将其切粒备用;最后制备好的基于聚酰胺改性碳纤维复合材料颗粒在240℃的环境下注射成型，从而得到实验所需要的试样。

1.3 性能测试

1.3.1 傅里叶变换红外光谱分析

基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料制作完成之后，其中碳纤维经过预处理和浓硝酸处理之后，其表面会发生一定的变化，从而影响到复合材料的综合性能。实验中通过使用傅里叶变换红外光谱分析仪对预处理和浓硝酸溶液处理的碳纤维进行分析，分析不同基团的特征峰波数的变化，并且判断碳纤维表面基团之间的相互作用[10]。

1.3.2 X射线光电子能谱分析

文章使用X射线光电子能谱仪对经过浓硝酸处理之后的碳纤维进行极化分析，从而分析碳纤维内部基团的变化情况。

1.3.3 扫描电子显微镜观察

实验中制作的基于聚酰胺改性碳纤维复合材料中碳纤维经过浓硝酸处理之后，复合材料的内部结构发生了一定变化，文章通过对复合材料使用扫描电子显微镜进行观察，从而发现复合材料表面的变化情况，为了形成对比，将碳纤维没有经过浓硝酸处理的复合材料作为对比材料，然后研究两种复合材料的显微结果。

1.3.4 拉伸强度和弯曲强度测试

实验中制得的复合材料是否具有一定的拉伸强度和弯曲强度，从而能够满足体育器材的应用要求，于是实验中需要对复合材料进行力学性能测试。所使用的仪器为数显式电子万能试验机，然后按照GB/T1447-2005的标准进行实验测试。为了得到更加准确的测量结果，实验中每组设置5个试样，从而取其平均值作为试样的最终结果。

1.3.5 肖氏硬度测试

复合材料制作完成之后，需要应用到体育器材中，如果该材料的硬度比较低，那么就会影响到应用效果，所以实验中通过使用D型肖氏硬度计对复合材料进行测试，从而得到复合材料的硬度值。

2 实验结果

2.1 碳纤维含量对复合材料性能的影响

基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料在制作过程中会加入不同量的碳纤维，从而得到最优的碳纤维含量能够让复合材料的整体性能更好，更能够较好的应用于体育器材制作中，于是文章分析了4种不同含量的碳纤维材料，分别为0%、5.5%、7.5%、10.5%，得到复合材料的拉伸强度、完全模量、模具收縮率、弯曲强度等性能结果如图1所示。从图1中可以看出，当碳纤维材料的掺入量不断增加时，复合材料的弯曲强度的变化趋势是先增加后降低，当其含量为7.5%时，复合材料的弯曲强度达到最大，而此时的拉伸强度也达到最大;另外，复合材料的弯曲模量变化趋势同弯曲强度变化趋势一样，同样是当碳纤维材料含量为7.5%时，复合材料的弯曲模量最大。因为在聚酰胺材料中加入一定量的碳纤维材料，该材料属于一种分布均匀的材料，加入到聚酰胺材料中能够构成层层网络，从而能够维持复合材料的完整性，增强复合材料之间的连接性，从而有利于增加复合材料的综合性能。所以能够得出结论为当复合材料中的碳纤维含量为7.5%时，复合材料的综合性能更强，应用于体育器材中更为合适。

2.2 浓硝酸处理碳纤维时间对复合材料性能的影响

在制作复合材料过程中，会使用浓硝酸溶液对碳纤维材料节能型表面处理，其处理时间的长短会对复合材料性能造成影响，于是文章为了得到性能最优的复合材料，对处理时间进行了分析。处理时间分别设置为15min、35min、65min、95min，将其中碳纤维材料的质量设置为7.5%，然后其他条件保持不变，得到的结果如图2所示。从图2中可以看出，当处理时间不断增加时，复合材料的拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度都处于不断上升的状态，但是其上升不是非常明显，而肖式硬度的变化更少。本实验中处理时间最长为95min，因为如果时间过长，会增加碳纤维材料氧化时间，其表面会过度氧化，从而发生严重的腐蚀现象，所以就会降低基于聚酰胺改性碳纤维复合材料的综合性能。所以能够了解到浓硝酸处理时间对复合材料性能的影响非常小，除非处理时间特别长，此时复合材料的综合性能将会降低。

2.3 复合材料红外光谱分析

碳纤维经过预处理和浓硝酸处理之后，其表面会发生一定的改变，本文通过傅里叶变换红外光谱分析方式分析碳纤维材料经过预处理和浓硝酸处理之后其表面官能团的变化。

2.3.1 预处理对碳纤维表面官能团的影响

将经过预处理的碳纤维材料使用红外光谱分析仪进行分析之后，得到如图3所示的结果，图中为了形成对比，将没有经过预处理的碳纤维材料作为对比分析。从图3中可以看出，经过预处理之后的碳纤维材料表面含氧基团出现明显减少，从而经过预处理之后可以将没有经过预处理的碳纤维表面杂质去除，这些杂质在实验之前会因为各种原因而附着，杂质中存在含氧基团，不能和碳纤维材料形成键合作用，自然就会降低改性碳纤维复合材料的粘接作用，从而影响到复合材料的性能。所以碳纤维材料经过预处理有利于提高复合材料的性能。

2.3.2 浓硝酸处理对碳纤维表面官能团的影响

浓硝酸对碳纤维材料进行处理时，其表面一样会发生变化，经过红外光谱分析仪检测之后得到如图4所示的结果，其中为了形成对比，将预处理的红外光谱作为对照组。从图4中的振动峰值可以看出，相比于预处理的结果，当使用浓硝酸对碳纤维处理之后，能够引入-C=N等极性基团，于是可以提高碳纤维表面的极性，所以有利于提高碳纤维和聚酰胺之间的粘接。

2.4 X射线光电子能谱分析

碳纤维经过浓硝酸处理之后，通过使用X射线光电子能谱分析碳纤维表面极化，得到如图5所示的结果。经过上述官能团的分析，能够了解到经过处理之后的碳纤维表面会引入相关的极性基团，有利于提高碳纤维表面极性，而且还有利于增加碳纤维表面积，所以能够增加基于聚酰胺改性碳纤维复合材料的力学性能。从图5中同样可以看出，经过浓硝酸处理之后的碳纤维材料引入了C=N、C=O等极性基团，该结论正好与上述傅里叶变换红外光谱分析所得到的结论一样，从而进一步验证了碳纤维材料经过浓硝酸处理之后，能够较好的对碳纤维进行表面极化，从而增强复合材料在体育器材中的应用效果。

2.5 扫描电子显微镜观察分析

通过使用扫描电子显微镜观察没有经过浓硝酸处理的复合材料和碳纤维经过处理之后的复合材料，发现两种之间的区别，结果如图6所示，从图6中可以看出，碳纤维没有经过处理之后所制得的复合材料表面存在很多的空洞，因为碳纤维没有经过氧化处理之后，其表面属于惰性状态，并且比较光滑，极性基团较少，也会引起表面能比较低，其粘接性能就会较差，最后形成的聚酰胺改性碳纤维复合材料内部主要以机械作用、静电作用实现界面结合，最终就会造成复合材料的力学性能较差。但是碳纤维经过浓硝酸处理之后，最后制得的复合材料具有更大的黏附性，极性基团较多，有利于增强活性强度和碳纤维表面积，受到一定强度的影响之后，复合材料内部之间会形成很好的粘接效果，于是就会极大的增强复合材料的力学性能，继而有利于该复合材料在体育器材中应用价值。

3 结语

在体育器材中使用的材料性能要求越来越高，文章制备了一种基于聚酰胺的改性碳纤维复合材料，使用不同实验方式对复合材料进行分析之后，发现经过浓硝酸处理之后，碳纤维表面活性增强，能够增强其粘接效果;浓硝酸处理时间对复合材料性能也会造成影响，当处理时间不断增加时，复合材料拉伸强度提高，冲击强度也出现小幅度上升，但是当处理时间过长之后，复合材料的综合性能就会降低;在复合材料中使用质量分数为7.5%的碳纤维材料有利于提高复合材料的综合性能。总之，本文制备的基于聚酰胺改性碳纤维复合材料在综合性能上有一定的提高，能够在体育器材中发挥不错的应用效果。

参考文献

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