玻璃纤维 / 聚醚醚酮复合材料的性能提升：封闭型聚醚醚酮 - 聚酰胺酸上浆剂的作用

为解决玻璃纤维增强聚醚醚酮（GF/PEEK）复合材料界面粘合弱的问题，研究人员研发封闭型聚醚醚酮 - 聚酰胺酸（PEKA）上浆剂。结果显示，其拉伸强度提升 70%，模量升 104.35%，可见光区吸光度从 57.9% 降至 15.4%，为高性能复合材料应用提供新思路。

　　

在军事、航空航天等高科技领域，纤维增强高性能热塑性复合材料因其轻量化、可回收及优异力学性能而备受青睐。聚醚醚酮（PEEK）凭借出色的机械强度、热稳定性等成为 harsh 环境应用的理想材料，玻璃纤维（GF）的加入更能增强其比强度和耐久性。然而，GF/PEEK 复合材料的实际应用却受两大难题制约：一是亲水性 GF 与疏水性 PEEK 界面粘合不足，二是高温或氧化条件下层间性能易退化。这导致复合材料易出现界面脱粘、载荷传递低效，严重影响其性能和使用寿命。为破解这些难题，研究人员开展了相关研究，成果发表在《Materials》。

研究中主要采用的关键技术方法包括：通过三步封端法合成不同的聚酰胺酸（PAA）前体（PA_0-3）作为上浆剂；对玻璃纤维束进行退浆处理；使用不同浓度和类型的 PAA 溶液修饰玻璃纤维束和布；采用平板硫化机制备玻璃纤维布 / PEEK（FC/PEEK）复合材料；通过拉伸测试、动态力学分析（DMA）、热重分析（TGA）、紫外 - 可见光谱（UV-Vis）、接触角测量、扫描电子显微镜（SEM）及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段对材料性能和结构进行表征。

3.1 聚酰胺和聚酰亚胺的 FTIR 光谱分析

通过对 PA₀溶液及 PI_0-3薄膜的红外光谱表征，证实了酰亚胺化反应的成功。PA₀中羧基等特征峰在 PI_0-3中消失，且 PI_0-3出现酰亚胺环的特征吸收峰，同时 BPDA/BTDA 有效封端了氨基，APTS 成功接枝到聚酰亚胺分子链上。

3.2 上浆剂的表面润湿性

接触角测量表明，PA_0-3上浆剂与 PEEK 薄膜的相容性优于 PVAc，这源于 BTDA 封装的 PAA 与 PEEK 分子结构相似，利于增强界面分子间相互作用。

3.3 上浆率对玻璃纤维束力学性能的影响

拉伸测试显示，经 PA₁修饰的玻璃纤维束（FB_I-III）力学性能优于未上浆（FB_D）和 PVAc 上浆（FB_R）的纤维束，其中 FB_II（上浆率 1.0%）性能最优，表明 3% PA₁溶液是优化的表面修饰方案。

3.4 聚酰胺酸上浆剂修饰的玻璃纤维布的力学性能

FC_0-3的力学性能优于 FC_D和 FC_R，FC₂的拉伸模量达 105.79 GPa，拉伸强度 0.92 GPa，得益于 APTS 增强了 PAA 与玻璃纤维的界面结合力。

3.5 聚酰胺酸上浆剂修饰的 FC/PEEK 复合材料的力学性能

FP_0-3的拉伸性能优于 FP_D和 FP_R，FP₂的拉伸模量和强度分别为 3.76 GPa 和 0.17 GPa，较 FP_D提升 104% 和 70%，归因于 APTS 改善了界面粘合。

3.6 PVAc、PAA 上浆剂及 FC/PEEK 复合材料的热性能

TGA 分析显示，PA₁的热稳定性远优于 PVAc；FP_0-3的热稳定性也优于 FP_R，其中 FP₃的 T_d5%达 350.5℃，780℃残碳量超 43.01%，表明聚酰亚胺上浆剂显著提升了复合材料的耐热性。

3.7 聚酰胺酸上浆剂修饰的 FC/PEEK 复合材料的动态力学和界面性能

DMA 测试表明，FP₃的 tanδ_max最低（0.133），储能模量（E’）最高（4.10 GPa），说明封闭型聚酰亚胺（PA₃）能有效增强 GF/PEEK 复合材料的耐热性和力学强度。

3.8 玻璃纤维束的表面形貌及 GF/PEEK 复合材料的断口形貌

SEM 观察发现，PA₁上浆的玻璃纤维表面上浆剂分散均匀，形成致密保护膜；FP₃中玻璃纤维表面被树脂完全覆盖，界面粘合良好，而 FP_D和 FP_R存在界面剥离现象。

3.9 FC/PEEK 复合材料的紫外反射性能

UV-Vis 测试显示，FP₁和 FP₃在可见光区的吸光度较低，颜色较浅，因 BPDA 封端减少了氨基氧化生成的发色团，有效抑制了黄变。

该研究表明，采用二酐、硅烷偶联剂和二酐依次处理聚酰胺酸制备的 GF/PEEK 复合材料，具有优异的力学性能、耐热性和抗黄变能力。ODA 和 BTDA 的分子结构与 PEEK 片段相似，提升了上浆剂与 PEEK 的相容性；APTS 增强了上浆剂与玻璃纤维的结合力，实现高效应力传递；BTDA 封端残留氨基，避免了高温下的黄变。这种新型封闭型聚醚醚酮 - 聚酰胺酸（PEKA）上浆剂为高性能 GF/PEEK 复合材料的发展提供了有效策略，有望推动其在先进工业领域的广泛应用。