碳纤维用上浆剂 上浆剂作用及种类

摘要

高性能碳纤维制造中，上浆工艺是重要环节，可优化碳纤维性能，提高与基体润湿性和结合能力，增强复合材料界面强度。上浆剂可改善碳纤维后加工性、浸润性和复合材料性能，但选择不当会影响界面结合。上浆剂分为溶剂型和乳液型，后者环保且工艺性好，但乳化剂使用需谨慎。根据基体树脂不同，上浆剂可分为多系列，以满足不同应用需求。

正文

在高性能碳纤维的制造工程中，碳纤维的上浆工艺流程是不可缺少的环节。一方面，上浆工艺可以在碳纤维表面形成功能性有机高分子层，优化碳纤维的耐磨、集束、铺展性能，调节纤维干性和弹性，抑制碳纤维后加工和使用过程中毛丝的产生，使碳纤维适应复合材料成型过程中编织、铺层和缠绕等工艺的要求。另一方面，上浆工艺在惰性的碳纤维表面形成的有机高分子层，能够提高碳纤维与基体的润湿性、结合能力，复合材料成型时形成纤维和基体之间结合良好的界面，提高碳纤维与基体之间的界面粘结和复合材料的界面剪切强度(ILSS)。同时，通过改变上浆剂体系主要成分的分子类型，实现碳纤维在不同树脂基体中的应用，形成碳纤维产品和相应复合材料的多样化和适应性。

小编为您详细介绍一下碳纤维专用上浆剂。

1.1 上浆剂的作用

（1）上浆剂对碳纤维后加工性的影响

在碳纤维的生产及加工过程中，由于碳纤维的脆性，反复的机械摩擦会造成纤维单丝的断裂，形成毛丝。60％-70％用于复合材料的碳纤维都需要经历编织、制备预浸料的过程。当碳纤维在织机上编织时，由于不断的遭受拉伸、摩擦、弯曲等作用，碳纤维会发生起毛、松散或劈丝现象，使得编制难以进行，织物质量低下。毛丝会阻碍基体树脂浸润纤维，造成复合材料的气孔，影响最终的复合材料性能。上浆处理能够归并毛丝，使碳纤维集束，提高碳纤维的后加工性能。碳纤维还能作为一种润滑剂，保护碳纤维，减小摩擦系数。

（2）上浆剂对碳纤维浸润性的影响

碳纤维上浆剂作为一种润湿剂，涂敷于碳纤维表面之后，能够提高纤维表面被树脂的浸润能力，缩短复合材料的制备时间，并提高产品的性能。

（3）上浆剂对复合材料性能的影响

上浆剂对复合材料的重要意义在于，上浆层能够作为纤维与树脂之间的连结体，将载荷在基体和增强体之间传递。上浆在碳纤维表面形成的活性高分子层，使得原本高惰性的碳纤维能够与基体发生有效的化学结合，改善碳纤维复合材料的界面强度，但是，如果上浆剂成分选择不适当，不仅对界面性能没有提高作用，甚至还会对界面上两相之间的结合产生负面作用，不利于复合材料性能的发挥。要达到改善界面的目的，必须针对特定的基体选择或开发相应的上浆剂主浆料。

1.2 上浆剂分类

根据制备上浆剂时，分散主浆料的介质，上浆剂可分成溶剂型和乳液型。

（1）溶剂型上浆剂

早期的碳纤维上浆剂主要采用以低沸点的有机溶剂(如丙酮、四氢呋喃、DMF、苯、甲苯等)为介质溶解功能性聚合物树脂(如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸及丙烯酸酯、聚酯聚氨酯与聚醚聚氨酯、不饱和聚酯、脂肪族与芳香族环氧树脂、聚苯乙烯、环氧乙烯酯和聚酰亚胺等)，形成均一的有机溶液体系。然而，低沸点、低闪点的有机溶剂的采用容易造成上浆过程的不稳定性与碳纤维上浆量的CV值较高，不能满足高性能碳纤维产品对上浆量和上浆碳纤维性能一致性的要求(cv值<5％)。同时，大量应用的以环氧树脂和丙酮为主要成分的溶剂型上浆剂在上浆工艺后所得碳纤维的摩擦系数较高，其耐磨性需要进一步改进和提高。另一方面，挥发性丙酮溶剂不仅污染生产车间环境，而且存在火灾隐患，加大了生产设备和制造工艺成本。因此，采用环保的水性碳纤维上浆剂逐步地发展成为碳纤维制备工程技术的主流方向。

（2）乳液型上浆剂

溶剂型上浆剂是在助剂(表面活性剂、稳定剂等)的存在下，将主浆料分散于水中形成的乳液体系。乳液型上浆剂克服了溶剂型上浆剂的缺点，不含或者极少含有有机溶剂，不在导辊残余树脂，工艺性较好。但是大部分乳化剂与基体树脂的结合性较差，随主浆料涂覆与碳纤维表面后，不利于纤维与基体树脂之问的化学结合。乳化剂亲水性较强，随上浆剂存在于纤维一基体界面会降低复合材料的耐水性和耐老化性。因此应当在保证乳液稳定性的前提下尽量少用乳化剂。除此之外，为了保证上浆剂层与基体产生有效的化学结合，上浆剂的主浆料应当与基体树脂的化学结构相同或相似。因此按照与纤维搭配的基体树脂，也可以将上浆剂分为许多系列。比如，适用于环氧树脂基复合材料的环氧类上浆剂；适用于乙烯基树脂复合材料的乙烯基类上浆剂等等。