上漿劑是碳纖維生產(chǎn)過程中的一種重要的助劑，通過上漿處理，能夠在碳纖維表面形成一層均勻的樹脂薄層。碳纖維表面的上漿劑，一般認(rèn)為具有以下作用：防止碳纖維被環(huán)境中的雜質(zhì)，如塵埃等污染，保持碳纖維表面清潔；減少絲束在加工過程中與設(shè)備摩擦而造成的毛絲和損傷，對絲束起到保護(hù)作用；提高絲束的集束性，便于后續(xù)的加工處理；改善碳纖維與基體樹脂的浸潤性能，促進(jìn)樹脂對碳纖維均勻的浸潤，減少復(fù)合材料的制備時間；減少碳纖維的表面惰性，提高碳纖維與基體樹脂的結(jié)合強(qiáng)度等。

不同的復(fù)合材料制備工藝，對上漿劑的要求是不同的。通過預(yù)浸料制備復(fù)合材料制件，是碳纖維最主要的應(yīng)用工藝之一。文獻(xiàn)研究大多集中在上漿處理對碳纖維絲束性能以及表面性能的影響，而碳纖維上漿劑對預(yù)浸料的制備以及力學(xué)性能的影響方面的研究較少。本研究使用了3種不同的上漿劑，考察其對碳纖維絲束性能，并進(jìn)一步考察其對預(yù)浸料制備以及復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

碳纖維（HF10-12K型），江蘇恒神股份有限公司，其拉伸強(qiáng)度為3850MPa，拉伸模量為230GPa，斷裂伸長率為1.6%。試驗(yàn)使用了3種不同的上漿劑A、B和C，分別為江蘇恒神自制、國內(nèi)某單位提供、國外某廠家提供。其具體信息如表1所示。

表 1 三種不同上漿劑的物性

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1碳纖維上漿

使用、未上漿的HF-12K碳纖維，通過試驗(yàn)用小型上漿槽對其進(jìn)行上漿，分別收取3種不同上漿劑處理的碳纖維產(chǎn)品。所有的樣品中上漿量均控制在約1.2%（wt，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。

1.2.2預(yù)浸料制備

將上述3種不同上漿劑處理的碳纖維樣品與環(huán)氧樹脂EH301/固化劑DETDA樹脂體系，通過江蘇恒神股份公司的預(yù)浸料生產(chǎn)小線，制備成面密度為150gsm的預(yù)浸料，將預(yù)浸料制備成標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行相關(guān)力學(xué)測試。

1.3 測試與表征

1.3.1 碳纖維展紗性

使用圖 1 所示的自制裝置對碳纖維絲束的展紗性進(jìn)行測定。

碳纖維樣品在牽引下通過一組不銹鋼導(dǎo)桿1—5，分別使用卡尺測量纖維束在導(dǎo)桿1和導(dǎo)桿5上的幅寬，分別記為W0和W1，按照式（1）對樣品測量的展紗性進(jìn)行計(jì)算。每個樣品測試3次，取平均值。

1.3.2紅外光譜分析

取3種上漿劑各5g左右，105℃烘干2h至恒重，獲得的不揮發(fā)性組分使用傅里葉變換紅外分光光度計(jì)（FT-IR，NicoletNexusIs10型）對其官能團(tuán)進(jìn)行分析。

1.3.3碳纖維表面張力

取使用不同上漿劑的碳纖維樣品，使用動態(tài)接觸角分析儀（DCAT21型，DataPhysics公司）分別測試其在水和乙二醇中的動態(tài)接觸角，根據(jù)楊氏方程計(jì)算各自的表面自由能。

1.3.4層間剪切強(qiáng)度

復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，根據(jù)國標(biāo)GB/T1450.1—2005《纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度測試方法》，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（日本島津公司），測定復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）。

1.3.5拉伸強(qiáng)度

根據(jù)國標(biāo)GB/T1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（日本島津公司），測定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR 分析

圖 2 為 A、B 和 C 中不揮發(fā)性組分的 FT-IR 譜圖。

如圖所示，3種上漿劑不揮發(fā)性組分的FT-IR譜圖比較相似，主要峰的位置相同，主要差別在于各峰的相對強(qiáng)弱。其中831cm-1處為環(huán)氧環(huán)中C-O-C健的伸縮振動峰，1036cm-1處為醚健C-O的伸縮振動峰，1509cm-1處為苯環(huán)骨架中C-C健的伸縮振動峰，1730cm-1處為C=O基的伸縮振動峰，2965~2873cm-1處為C-H健的伸縮振動峰。這與3種上漿劑均為環(huán)氧類上漿劑是相符的，其主要成分均為環(huán)氧樹脂，差別主要在于所使用的固態(tài)樹脂和液態(tài)樹脂的種類以及比例。

2.2 表面自由能分析

表2為3種不同上漿劑處理后的碳纖維的表面自由能測試結(jié)果。

如表2所示，3種上漿劑處理后，HF-10碳纖維的表面自由能分別為35.5mJ/m2、35.8mJ/m2和38.37mJ/m2。使用C上漿劑的碳纖維總表面自由能與極性分量均最高，但是從絕對值來看，與另外兩種樣品的差距并不大。纖維樣品的表面自由能越大，尤其是其極性分量越大，說明其表面的活性官能團(tuán)越多，通常與樹脂基體的親和性也就越高。

2.3 展紗性能

上漿劑種類對碳纖維絲束展紗性能的影響見圖3。

由圖可見，經(jīng)A、B、C這3種上漿劑上漿后的HF10-12K碳纖維，其展紗率分別為69%、54%和57%，使用A上漿劑的碳纖維展紗性相對另外兩種上漿劑更好。展紗性是評價(jià)纖維展紗率/%束越攤薄鋪開的能力，A上漿劑處理后的纖維束展紗性最高，說明其最容易分散成均勻的薄片狀，有利于制備表面平整、無縫隙的預(yù)浸料。

2.4 層間剪切強(qiáng)度

上漿劑種類對層壓板ILSS的影響見圖4。

由圖可見，使用3種上漿劑的碳纖維層壓板的ILSS均值分別為85.6MPa、84.9MPa和86.2MPa。雖然C上漿劑的均值最高，但是3個數(shù)據(jù)之間的最大差別不足1.5%，因此可以認(rèn)為都處于同一區(qū)間范圍。這說明3種碳纖維樣品與樹脂制件的結(jié)合強(qiáng)度基本相當(dāng)。

2.5 0°拉伸強(qiáng)度

上漿劑種類對層壓板0°拉伸強(qiáng)度的影響見圖5。

由圖可見，每組樣品全部測試數(shù)據(jù)的極值、上下四分位數(shù)值、中位數(shù)以及平均值（圖中數(shù)值）。從平均值而言，使用A上漿劑所得板材的0°拉伸強(qiáng)度最高，為2470MPa，B上漿劑最低，為2302MPa，兩者的相對差距為7.3%。此即上漿劑種類對預(yù)浸料層壓板拉伸性能的影響程度。

綜合考慮圖5和圖2可以發(fā)現(xiàn)，在碳纖維表面張力近似，碳纖維與樹脂之間的親和力也相近的情況下，碳纖維束的展紗性與最終預(yù)浸料層壓板拉伸強(qiáng)度之間存在正相關(guān)性，如圖6所示。這是由于展紗性越好，碳纖維絲束越容易展開成幅寬均勻的薄帶，與樹脂復(fù)合后得到的預(yù)浸料厚度均勻，無縫隙，制備成層壓板后缺陷少，因而拉伸強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

使用3種不同的上漿劑對碳纖維進(jìn)行處理后，由于上漿劑種類均為環(huán)氧類，因而碳纖維的表面自由能接近，碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度相差不大。A上漿劑處理的碳纖維展紗性最好，層壓板的拉伸強(qiáng)度也最高。碳纖維絲束的展紗性與預(yù)浸料層壓板的0o拉伸強(qiáng)度之間存在正相關(guān)性，上漿劑對層壓板拉伸強(qiáng)度的影響程度約為7.3%。

作者：張淑斌，顧紅星，彭飛，黃玉東

來源：《化工新型材料》

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