干货·东丽的浆料有“1000”多种

东丽的浆料有“1000”多种

制造碳纤维最后两道工序-表面处理和上浆，对纤维性能至关重要，除了原丝（前体）以外，它区分一个供应商的产品和竞争对手的产品。基材树脂和碳纤维之间的粘附在增强复合材料中至关重要;在碳纤维制造过程中，进行表面处理以增强这种附着力。生产商使用不同的表面处理方法，但常见的方法包括将纤维拉过含有电化学溶液或电解槽，如次氯酸钠或硝酸。这些材料蚀刻或粗糙每个碳纤维丝的表面，这增加了可用于界面纤维/基材粘结的表面面积，并增加了活性化学组，如羧酸。

图1.   碳纤维表面结构

大多数碳纤维制造商已经优化了他们的表面处理，长期的经验确保了可重复性。因此，纤维制造商几乎没用动力试验其他处理方法，如等离子体处理和气体或湿化学过程。

接下来，应用一种高度专有的涂层，称为上浆。浆料为碳纤维重量的 0.5% 到 5%，可在后续（例如编织）过程中保护碳纤维，制成中间产品，如干织物和预浸料（半固化片）。上浆也把细纤维固定在单个无捻纱中，以减少绒毛，提高可加工性，并增加纤维和基材树脂之间的界面剪切强度。碳纤维生产商越来越多地使用适合客户最终用途的浆料。一家著名碳纤维生产企业主管说："我们可以根据特定客户的树脂特性以及复合材料所需的特定特性定制表面处理和浆料。

由于历史上大多数碳纤维都与环氧树脂基材一起使用，所以浆料主要以环氧树脂为基础，分子量低，以提高纤维的柔韧性和铺展性。然而，研究正在进行中，以创造化学浆料，以适应各种基体树脂的最终用途的需求。

对于聚酰亚胺、聚醚醚酮和其他高温基材树脂，碳纤维上浆也是一个新的挑战。传统的与环氧基材兼容的浆料所提供的官能团，“不会与聚酰亚胺发生化学反应，”。因此界面剪切强度较弱。更糟的是，对于用聚酰亚胺或聚醚醚酮模压成型的碳件，在制造过程中较高的加工温度和在高温最终使用环境中连续使用会降低环氧树脂的上浆，从而削弱纤维/基体界面，产生空洞和分层。因此，在碳纤维表面得用另外的浆料（表1.）。

表1.   不同浆料的性能

东丽公司对于海洋环境的碳/乙烯基酯有特定的浆料。“多年来，人们一直认为碳纤维本身就能给零件带来非常高的机械性能，尤其是在环氧树脂基体中。”。环氧树脂本身具有“粘性”，因此能很好地润湿有机碳纤维，但并非所有的热固性材料或热塑性塑料都是如此。 “为了实现对性能要求更高的下一代复合材料，碳和树脂之间的界面必须尽可能有效”。 “事实证明，随着热塑基体的发展趋势，这一点尤其具有挑战性，因为热塑基体本身具有较高的粘度。热塑性树脂有很多种。他说：“我们不能制定一个放之四海而皆准的方案”。目前面临的挑战是如何开发出能在高温下良好工作的浆料，同时还要确保浆料解决方案既能与单向丝束兼容，又能与中间体生产的织物兼容。当今最大的挑战之一是使化学浆料和碳纤维在其生产周期内满足汽车零部件制造需要的压力。  

苏威（Solvay）公司优化特定树脂体系的浆料涉及一定程度的科学知识，但许多开发工作也基于实际试验。理论知识和经验数据有时很难分开，但纤维制造商往往依赖经验。然而，苏威的专家已经超越了经验阶段，他们知道如何制定和实验，以优化特性。在其他参数中，苏威可以改变施浆料量(wt%)、类型、施胶条件或干燥条件，以满足客户对新产品的需求。我们通常可以通过一两次尝试获得这些性能。

HydrosizeTechnologies公司（北卡罗来纳州罗利市）提供17种碳纤维商业化的浆料，可以用于多种纤维/基材树脂组合以及不同的复合材料制造工艺。几乎所有的浆料都不含溶剂和有害空气污染物。一个例子是Hydrosize U601，这是一种环保配方的高分子量聚氨酯浆料，据说通过聚氨酯树脂改善纤维润湿，改善润滑性（减少生产过程中的摩擦）。

美国Adherent的研发中心，发现了一种化学反应，可以影响纤维中的碳分子，从而改善纤维和基质之间的界面结合。“我们目前正在使用这种化学物质来改善美国海军使用的碳纤维/乙烯基酯和碳纤维/双马来酰亚胺的界面附着力，包括用于F-35联合攻击战斗机的发动机复合材料组件。

编后语：

1、标题中的“1000”不是空穴来风。2013.11.20工信部化工处蒋健处长，找了几个人讨论复合材料的问题。讨论中她说，东丽仅浆料就有上千种。当时我十分惊讶！回到上海后，一直在查找有关浆料的信息。但没有结果。几年后再来北京，想询问“1000”这个数字。遗憾的是蒋健处长她英年早逝，无从落实。从此“1000”这个数字就一直萦系在脑海中，挥之不去。

2、环氧树脂基碳纤维复合材料，现用的浆料多是溶于水的环氧颗粒。浆料吸水性能是不容置疑的。浆料吸水是否会影响复合材料的湿热性能？碳纤维无捻纱带（slit tape）是不经纺织的。可否不用上浆的碳纤维纱，是值得推敲！

3、从资料中看到国内有从事浆料的研究工作。希望浆料的研究工作与碳纤维的生产和C919、C929所需要的碳纤维复合材料结合起来。

—完—

说明：根据网上资料整理。

2019.11.20