PAN基碳纖維目前應(yīng)用最為廣泛，其基本的生產(chǎn)工藝過程主要包括紡絲、預(yù)氧化、炭化、表面處理、上漿和深加工等，從原料到最后得到碳纖維產(chǎn)品，纖維要經(jīng)過多次滾筒纏繞，纖維與滾筒之間相互摩擦使碳纖維表面產(chǎn)生毛絲，這不僅影響碳纖維的集束性，而且使碳纖維的本體強(qiáng)度以及碳纖維與樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度下降 。

02

上漿劑的作用

上漿劑是均勻覆蓋在碳纖維表面的一層薄薄的樹脂層，其在纖維中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～1.2%，盡管其含量很低，但對(duì)碳纖維的性能及其編織布、預(yù)浸料的制備、復(fù)合材料的性能都有重要的作用 。?
根據(jù)不同的規(guī)格，一束碳纖維中包含成千上萬根碳纖維單絲，因此上漿劑的首要功能就是將大量的單絲集束成一束，防止纖維起毛松散，同時(shí)也為碳纖維布以及三維編織體提供可能；另外碳纖維在生產(chǎn)和編織的過程中會(huì)與多個(gè)滾軸摩擦，如果沒有上漿劑層的保護(hù)，碳纖維單絲很容易斷裂，從而使纖維本體的強(qiáng)度降低?。
碳纖維表面是惰性的類石墨結(jié)構(gòu)，雖然這樣的結(jié)構(gòu)使其具有良好的耐腐蝕性，但同時(shí)也使得纖維與樹脂之間的浸潤性降低。因此上漿劑的存在能有效地使碳纖維被樹脂充分浸潤，減少預(yù)浸料中的空氣含量，降低復(fù)合材料的孔隙率。
目前廣泛用于表征復(fù)合材料界面性能的兩個(gè)參數(shù)分別為界面剪切強(qiáng)度(IFSS)和層間剪切強(qiáng)度(ILSS)。但還沒有一個(gè)統(tǒng)一的理論用于對(duì)復(fù)合材料界面性能的分析。有兩種理論目前被廣泛接受：一是“橋連”理論，即提高兩相之間的分子間作用力；二是能量耗散理論，即通過使裂紋偏轉(zhuǎn)的方式防止復(fù)合材料直接分層斷裂。上漿劑處于碳纖維與樹脂之間的過渡層。
因此根據(jù)這兩種理論，一是通過分子設(shè)計(jì)提高上漿劑與碳纖維表面、上漿劑與樹脂之間的分子間作用( 范德華力、氫鍵、化學(xué)鍵) 來提高復(fù)合材料的界面強(qiáng)度；二是通過上漿劑分子間交聯(lián)或在上漿劑中添加納米增強(qiáng)體，使上漿劑層的模量提高，當(dāng)裂紋由樹脂向纖維表面擴(kuò)展時(shí)受到高模量上漿劑層的阻力而使裂紋偏轉(zhuǎn)，起到能量耗散的作用，從而使復(fù)合材料的界面性能提高。

03

上漿劑的分類

上漿劑的主要成分為樹脂，根據(jù)樹脂的分散狀態(tài)，上漿劑可以分為溶液型、乳液型和水溶型。
溶液型上漿劑是通過將環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸酯、聚氨酯等溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑中配制而成，通過溶劑的揮發(fā)在碳纖維表面包覆一層薄薄的樹脂，起到保護(hù)碳纖維和增加纖維與樹脂基體相互粘合的作用。溶液型上漿劑需要使用大量有機(jī)溶劑，成本相對(duì)較高，而且大量溶劑的揮發(fā)對(duì)于人體健康和工作環(huán)境具有非常嚴(yán)重的危害，因此溶液型上漿劑目前已較少使用 。?
乳液型上漿劑的主要成分為各種樹脂，在乳化劑的輔助作用下經(jīng)高速攪拌而成。它不僅環(huán)境友好，而且由于乳化劑的存在，乳液的表面張力小，對(duì)纖維的浸潤性好，因此該類上漿劑得到了廣泛的應(yīng)用。但這種上漿劑也存在缺點(diǎn)， 由于需要使用大量的乳化劑，其本質(zhì)也是一種表面活性劑， 故使碳纖維表面容易吸附水分；另外，低分子量的表面活性劑也會(huì)影響纖維與樹脂之間的粘結(jié)性。?
水溶型上漿劑是乳液型上漿劑的改進(jìn)，通過向樹脂中引入親水性基團(tuán)或?qū)⒐倌軋F(tuán)離子化使其具有自乳化能力，從而避免乳化劑的使用。然而目前具有水溶性的樹脂較少， 而且相對(duì)于乳液型上漿劑，其乳液的穩(wěn)定性較差，這些都是水溶型上漿劑有待解決的問題。?

04

上漿劑與不同樹脂基體的匹配

1.環(huán)氧樹脂基體（EP）上漿劑主要成分為聚苯醚酮(PPEK)／含有二氮雜萘酮的二胺，其狀態(tài)為乳液，界面剪切強(qiáng)度(IFSS)可提高15.48%。另一種上漿劑的主要成分為經(jīng)十二胺改性的EP，其狀態(tài)為乳液，上漿后碳纖維的耐磨性提高172.8%，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)提高29.16%。
2.?聚酰胺（PA）66基體適用于PA66的上漿劑主要成分包括聚氨酯(PUR)、聚酰胺(PA)、聚酰亞胺(PI)、苯氧樹脂(PHE)、EP／PHE，上漿后碳纖維的耐磨性提高172.8%，復(fù)合材料的 ILSS 提高 29.16%。其中PUR和PA上漿的碳纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料具有最高的沖擊強(qiáng)度、儲(chǔ)能模量和界面粘結(jié)性能。
3.聚酰胺（PA）6基體適用于PA6的上漿劑主要成分為EP，其溶于環(huán)己酮(CYC)／四氫呋喃(THF)的溶液，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高提 25%、縱向彎曲強(qiáng)度提高 11%、壓縮強(qiáng)度提高 31%。
4.乙烯基酯樹脂(VER)基體適用于VER的上漿劑主要成分為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，其狀態(tài)為水溶液，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高提25%、縱向彎曲強(qiáng)度提高11%、壓縮強(qiáng)度提高31%。
5.聚醚砜(PES)基體
適用于PES的上漿劑主要成分為PES，其狀態(tài)為乳液，碳纖維表面的含氧官能團(tuán)含量、表面自由能、潤濕性都明顯增加，ILSS提高26%。
6.PP／PP-g-MAH基體適用于PP／PP-g-MAH的上漿劑主要成分為乙烯–丙烯酸甲酯–甲基丙烯酸縮水甘油酯三元無規(guī)共聚物(E–MA–GMA)，其狀態(tài)為E–MA–GMA的甲苯溶液，可使IFSS提高157%、彎曲強(qiáng)度提高139.3%、沖擊強(qiáng)度提高233.9%、拉伸強(qiáng)度提高126.1%。
7.聚醚醚酮(PEEK)基體適用于PEEK的上漿劑主要成分為聚醚酮酮(PEKK)，其狀態(tài)為乳液，顯著提高碳纖維與樹脂之間的相互作用以及復(fù)合材料的抗煤油性。以PEKK的二氯甲烷(DMC)溶液作為PEEK的上漿劑可使ILSS提高70%，彎曲強(qiáng)度提高37%，彎曲彈性模量提高48%。
8.聚酞酮醚酮(PPhEK)基體適用于PPhEK的上漿劑為PPhEK的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液，IFSS由30.51MPa 提高到51.49MPa。
9.聚氨酯(PUR)基體適用于PUR的上漿劑主要成分為PUR，可使碳纖維單絲的拉伸強(qiáng)度由2.5GPa提高到3.5GPa，IFSS由47 MPa 提高到61 MPa。
10.聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)基體適用于PBT的上漿劑主要成分為PUR，可使纖維表面與去離子水的接觸角由55°下降到37°，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度由125 MPa 提高到133 MPa。
11.丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)基體
適用于ABS的上漿劑主要成分為N-苯基馬來酰亞胺–馬來酸酐–苯乙烯三元共聚物(NSM)／ABS，其狀態(tài)為乳液，可使ILSS提高26.6%。

05

展望

全球碳纖維上漿劑的發(fā)展，隨著“以塑代鋼”浪潮的進(jìn)一步推進(jìn)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用環(huán)境將會(huì)變得越來越復(fù)雜和多樣化。不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)上漿劑提出了不同的要求，如耐溫性、電磁屏蔽性、透波性、耐腐蝕性等，因此上漿劑必然會(huì)朝著高性能化、多功能化、針對(duì)具體樹脂和具體應(yīng)用環(huán)境的進(jìn)一步細(xì)分化方向發(fā)展。文章來源：于廣, 魏化震, 李大勇,等

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